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WO2024088620A1 - Elektrische heizungsvorrichtung für ein fahrzeug - Google Patents

Elektrische heizungsvorrichtung für ein fahrzeug Download PDF

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WO2024088620A1
WO2024088620A1 PCT/EP2023/073510 EP2023073510W WO2024088620A1 WO 2024088620 A1 WO2024088620 A1 WO 2024088620A1 EP 2023073510 W EP2023073510 W EP 2023073510W WO 2024088620 A1 WO2024088620 A1 WO 2024088620A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
module housing
layer
heating device
module
electric heating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2023/073510
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lutz Schade
Peter Neidenberger
Roman Mielke
Mustafa Yurt
Harald Bachmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Webasto SE
Original Assignee
Webasto SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to CN202380075484.3A priority patent/CN120153764A/zh
Publication of WO2024088620A1 publication Critical patent/WO2024088620A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60H1/2221—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant the heat being derived from electric heaters arrangements of electric heaters for heating an intermediate liquid
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    • H05B2203/021—Heaters specially adapted for heating liquids
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    • H05B2203/022—Heaters specially adapted for heating gaseous material
    • H05B2203/023—Heaters of the type used for electrically heating the air blown in a vehicle compartment by the vehicle heating system

Definitions

  • the invention relates to a heating arrangement and a heater, preferably a high-voltage heater, for a vehicle, in particular an electric or hybrid vehicle.
  • Heating devices are regularly used in vehicles to heat an interior or passenger compartment or components such as batteries, etc. Electric heating devices are usually used in electric or hybrid vehicles, with air or water being used as heat transfer media or fluids because the use of waste heat is no longer an option due to the lack of a combustion engine and such fuel-based auxiliary or additional heaters are neither technically sensible nor economical in this case. Heat transfer media other than those mentioned are also possible.
  • Electric heating devices can be operated particularly effectively using the high-voltage range implemented in purely or hybrid electric vehicles.
  • electric vehicles use vehicle batteries as energy storage devices, which allow operation at higher voltages and thus enable sensible propulsion in the first place thanks to higher consumer power.
  • the 48 volt level has been established for some time for larger consumers in vehicles with outputs of 3 kW and more, such as start-stop functions (including recuperation), electrically operated air conditioning compressors and heaters, etc. These levels are contrasted by the high-voltage range as the on-board network architecture in purely or hybrid electric vehicles with significantly larger units (e.g. larger than 12 kW).
  • high-voltage heaters for electrically heating a media or fluid circuit via a heat exchanger are widely known. Electrical energy can be converted into heat with high efficiency, for example, by heating elements designed as sheet resistors. The sheet resistors contact the heat exchanger directly or indirectly in order to transfer the heat generated to a fluid flowing through it, which is then guided to the location or component where the heat can be released again.
  • the heating elements are usually supplied with electrical power and controlled by a control device.
  • the heating elements can be operated by the control device using pulse width modulation when supplied with direct current in the high-voltage range in order to achieve a specific heating output, particularly in the case of heating control.
  • the corresponding switching frequencies of the power switching elements required for this can be in the kilohertz range, without restriction of the generality, e.g. in the range from 1 to 250 kHz.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the electronic components of the high-voltage heater are therefore usually installed in a metal housing, whereby the metal housing is regularly at the base potential of the power supply in order to also meet the safety requirements. Materials that can be used include die-cast aluminum or deep-drawn sheet steel constructions, etc.
  • Such housings which must also provide moisture and dirt protection for the electronic components contained therein and thus a certain degree of tightness, can also have a complex structure in order to meet the various requirements. This can make a multi-part structure necessary, particularly in view of the limited shaping options in the manufacturing processes, the required or desired cable feedthroughs and their insulation, which generally increases the costs and manufacturing effort of high-voltage heaters.
  • an electric heating device for a vehicle in particular an electric or hybrid vehicle, which comprises a heating device housing, at least one heating element that is designed for heating operation at an operating voltage in the high-voltage range, a heat exchanger that is in thermal operative connection with the at least one heating element in order to release the heat generated by the heating element to a medium flowing through the heat exchanger; and a control module that has a control device that is set up to supply the at least one heating element with the operating voltage in the high-voltage range and to control the heating operation of the at least one heating element.
  • the control module has a first module housing that is part of the heating device housing and is made of a plastic and accommodates the control device.
  • a vehicle is basically understood to mean all possible mobile applications, in particular passenger cars, trucks, construction machinery, aircraft and watercraft. This also includes, for example, construction machinery or cranes as well as trailers such as caravans that can be towed and transported by other vehicles.
  • a basic idea of this aspect is to provide at least one part of the electric heating device, which is designed as a high-voltage heater and includes the control device, with a plastic housing.
  • the first module housing can also be a comprehensive component of the heating device housing and include further components such as the heating element and/or the heat exchanger.
  • Special embodiments which are described below, provide for the first module housing to be set up as a separate module from another (second) module housing of the heat exchanger and/or heating element, but firmly connected to the other module housing as a component of the heating device housing, with the two module housings forming the heating device housing together as components.
  • the first module housing By making the first module housing out of plastic, more complex shapes for the module housing can be realized with little effort. Injection molding processes offer far greater degrees of freedom in geometric design than those available for metalworking. Furthermore, the manufacturing costs are lower, particularly in terms of material costs. In addition, the durability and reusability of casting tools, for example, is significantly greater in the case of plastic injection molding than in the case of aluminum die casting, so that a cost reduction is also achieved here.
  • electrically conductive materials that are embedded in the plastic and can thus ensure sufficient electromagnetic shielding.
  • these can be metal inserts on the one hand and/or electrically conductive fibers, in particular carbon fibers, on the other hand, which is described in more detail below.
  • the use of plastic in particular its property of allowing the creation of electrically conductive areas and electrically insulating areas in the same molding process - increases the flexibility in the design of the first module housing and also enables locally electrically insulated passage of voltage-carrying cables, preferably in the low-voltage range, so that in such a case additional seals and precisely fitting plug inserts can be dispensed with.
  • the control device can have a circuit board or can be implemented by such a board on which one or more microcontrollers and other electronic components are arranged.
  • the one or more microcontrollers can, for example, enable communication with an on-board power supply unit (BCM) or with an electronic control unit (ECU). Corresponding line connections can be implemented on the circuit board.
  • connections for a connection to an external energy source can be implemented.
  • the one or more microcontrollers can carry out the control of power switching elements (e.g. power MOSFETs or IGBTs), which can also be placed on this or another circuit board, etc. In the case of another circuit board, this can be arranged separately from the control device as a power switching component in the vicinity of the heating elements and optionally outside the first module housing.
  • power switching elements e.g. power MOSFETs or IGBTs
  • the control device can be set up to carry out heating control.
  • One or more temperature sensors can be placed on the heat exchanger or at least in its vicinity and electrically connected to the control device in order to detect temperatures of the fluid and forward corresponding signals to the control device.
  • the control device or a microcontroller thereof can compare the temperature or values derived from it with a threshold or target value and adjust the heating output depending on the result in order to set a desired target temperature in the fluid, e.g. at the fluid outlet.
  • control device can operate the power switching elements using pulse width modulation.
  • the operating voltage in the high-voltage range is preferably a direct voltage for this purpose.
  • the electric heating device can in particular be a liquid heater.
  • Liquid heating means that the medium flowing through the heat exchanger of the heating device is liquid.
  • the medium can in particular be liquid coolant of a vehicle, which transports heat in the vehicle and can release it at various points.
  • the liquid heater can also be part of a heat pump of a vehicle, for example, so that the heat transfer medium can be or comprise a coolant of a heat pump, for example. It can be that the coolant only under certain conditions and only temporarily or perhaps never in is in completely liquid form and is also partially or completely gaseous. Nevertheless, this is also understood to be a liquid heater.
  • the liquid heater can preferably have a heating output of at least 5 kW, preferably of at least 7 kW, for example of at least 9 kW.
  • the heating output is preferably less than or equal to 13 kW.
  • the operating voltage with which the vehicle heater (or the heating element(s)) is operated can be greater than or equal to 60 V, preferably 400 V, more preferably greater than or equal to 700 V, for example 800 V, 900 V or 1000 V.
  • the liquid heater has at least one heating element.
  • the control device can also operate several of the heating elements independently of one another or in parallel.
  • the heating element or elements can have a heating conductor layer that acts as a sheet resistor.
  • the liquid heater preferably has at least two heating elements, particularly preferably at least three heating elements.
  • a heating conductor layer can preferably have corresponding heating conductor tracks.
  • the heating conductor layers and heating conductor tracks can be arranged together on a single carrier element.
  • each heating conductor layer or each heating conductor track is applied to its own, separate carrier element.
  • the carrier element can also be a wall or plate of the heat exchanger, so that the heat exchanger and heating element can share individual elements.
  • the heating element or the heating conductor layer can be implemented in various ways and the invention is not limited to specific embodiments thereof.
  • the heating element can, for example, consist of thermally sprayed layers. During production, atmospheric plasma spraying can be used, for example, as a coating process. It is also possible to apply heating elements on both sides, i.e. on a cover wall and a base wall of the heat exchanger.
  • the layer structure starting from a flat plate formed by a cover or base wall of the heat exchanger, initially consists of an optional adhesive base, then an insulating ceramic, the actual heating conductor layer and, if necessary, a cover layer or seal.
  • the heating conductor layer can be applied by laser or be structured by means of masking.
  • the material of the heating conductor can be one with linear or PTC resistance behavior.
  • Polymer-based heating elements with PTC behavior are also an option. These can be heating elements made of plastic films.
  • the heating elements usually consist of an extruded or laminated polymer matrix in which a heating conductor and a plus and minus electrode are embedded.
  • the heating elements can also be ceramic heating elements with PTC behavior (PTC thermistor).
  • the heating element can be designed as a thick-film heating element.
  • the carrier element can in turn be a plate of the heat exchanger.
  • the thick-film heating element is applied to this plate, which can be a dielectric and a heating conductor to form a flat heating resistor.
  • the heating element can be designed as a ceramic substrate (as a carrier element), for example made of Al2O3, with a screen-printed heating conductor layer.
  • the heating conductor layer can be designed, for example, as a metallization made of a resistance alloy, which represents the corresponding heating resistance.
  • An iron-nickel alloy or a nickel-chromium alloy are possible, among others.
  • An insulation interruption ensures the structuring of long conductor tracks from the layer, which is otherwise applied flat and later fired, and can, for example, be created during application using a screen printing process.
  • the ceramic substrate can be a ceramic carrier plate. This embodiment of a heating element is preferred according to aspects of the invention.
  • the flat heating element can be applied to the outside of the cover or base wall, which is usually designed as a flat plate, using a thermal mediator as an adhesive layer, e.g. thermally conductive adhesive.
  • the thermal mediator can also be used in combination with a pressing device.
  • heating elements can also be provided on both sides of the heat exchanger, i.e. on the cover wall and on the bottom wall.
  • the heat exchanger itself can be made of steel or aluminum, for example, and preferably also as a sheet metal heat exchanger.
  • the boundary walls forming a flat fluid chamber of the heat exchanger comprise a cover wall, a bottom wall opposite the cover wall, and narrow side walls connecting them, which are formed, for example, by deep-drawing the cover or bottom wall in a trough-like manner, with a fluid inlet and a fluid outlet being formed, for example, in the bottom wall.
  • the cover wall and the bottom wall are preferably flat and extend essentially along a plane defined by the heat exchanger.
  • the described, purely exemplary but advantageous embodiment of the heat exchanger includes that a construction height perpendicular to the cover wall, to which the heating element can be attached, or which the heating element also forms, is significantly smaller than a width and length with which it extends parallel to the cover wall.
  • the heat exchanger can preferably be designed in two parts. It can have a base part and a cover part, which together with a turbulator inserted therein are connected to one another in a material and possibly also form-fitting and/or force-fitting manner, in particular by soldering or welding.
  • the base wall can be part of the base part together with the side walls and the cover wall can be part of a cover part preferably designed as a flat plate.
  • the cover wall and cover part can be identical.
  • the turbulator can preferably have a filigree structure and contain a grid structure. It is preferably in thermally conductive contact with at least the cover wall in order to conduct the heat transferred via this into the grid structures around which it flows, so that the fluid absorbs the heat efficiently due to the large contact area between the fluid and the grid.
  • the turbulator can change the fluid flow in the interior to a turbulent flow, so that the medium or fluid flowing through the interior is better mixed, which further increases the efficiency of the heat exchanger.
  • the grid-like turbulator can, for example, be made from a single sheet of metal. To produce it, slots can first be punched into the sheet of metal.
  • a grid-like structure of the turbulator can then be created, for example, by folding it in an accordion-like manner.
  • the turbulator can be made of the same material as the base and/or cover wall.
  • the turbulator is preferably also attached to the base wall in order to avoid dynamic bulging and thus a change in the hydrodynamic conditions at the high pressures of the fluid flowing through.
  • the base wall and/or the cover wall have a large number of projections which, when assembled, protrude into the interior and thus also form a grid-like turbulator there.
  • Other embodiments for a heat-transfer mechanism are also possible.
  • the heat exchanger and the at least one heating element form a heat exchanger module and are accommodated in a second module housing. They form a separate unit in relation to the control module, but are structurally and electrically connected to it.
  • the first module housing is a different component from the second module housing.
  • the second module housing can be formed by the trough-shaped base part of the heat exchanger and a housing cover attached to it or to the flat cover part of the heat exchanger for housing the heating element(s) (and optionally an associated power switching component).
  • the second module housing can be made of sheet steel and/or die-cast aluminum, etc.
  • the first module housing has a first layer made of electrically conductive plastic material.
  • a layer is understood here to mean a flat structure. In the scope of this aspect, it is not necessary for this layer to provide an almost complete enveloping of an interior space; passages and exclusively insulating wall areas are also possible, as provided for in further embodiments described below.
  • the first layer of electrically conductive plastic material can provide extensive shielding in terms of electromagnetic compatibility, particularly in the high-voltage range of heating operation, if this layer extends over at least large or significant parts of the module housing wall. In terms of EMC, it can therefore definitely replace the conventional metal housing.
  • the electrically conductive plastic material is a plastic reinforced with carbon fibers.
  • the mass fraction of carbon fibers can be between 10% and 80%, preferably between 20% and 60%, more preferably between 30% and 50%, even more preferably between 35% and 45%, ideally about 40%. In the latter case, the most satisfactory results are obtained in terms of simultaneous strength, elastic behavior, durability, injection molding properties, electrical and thermal properties.
  • the plastic used, in which the carbon fibers are introduced or embedded is preferably a temperature-resistant, heat-resistant plastic, in particular a thermoplastic, preferably PPS (polyphenylene sulfide).
  • the carbon fibers can be any fiber type, including HT - high tenacity, UHT - very high tenacity, LM - low modulus, IM - intermediate (intermediate modulus), HM - high modulus, UM - (ultra modulus), UHM - (ultra high modulus), UMS - (ultra modulus strength), HMS - high modulus / high strain.
  • the filament size and the density of filaments or fibers in the polymer matrix are selected so that, among other things, the desired electrical properties are achieved for the application in question.
  • a further embodiment provides that the first module housing has a second layer made of electrically insulating plastic material.
  • a second layer particularly in combination with the first layer made of electrically conductive plastic material, makes it possible to simultaneously meet the EMC requirements in the high-voltage range (first layer) and to create wall areas in the first module housing of the control module that allow cables to be easily fed through the housing wall through complete insulation (only the second layer is formed) (e.g. for low-voltage plugs integrated into the wall).
  • the electrically insulating plastic material can be a plastic reinforced with glass fibers.
  • the mass fraction of glass fibers can be between 10% and 80%, preferably between 20% and 60%, more preferably between 30% and 50%, even more preferably between 35% and 45%, ideally around 40%. In the latter case, the most satisfactory results are obtained in terms of simultaneous strength, elastic behavior, durability, injection molding properties, electrical and thermal properties, especially in conjunction with the corresponding properties of the first layer.
  • the first module housing can accordingly have a 2-component structure, with the second layer forming an exposed outer surface of the first module housing on the outside and the first layer largely surrounding an interior of the module housing relative to the second layer on the inside, with the first layer and the second layer preferably being molded onto one another and forming a one-piece component.
  • the first layer can optionally also form a surface defining an interior of the first module housing, but can also be completely or partially coated towards the interior if necessary.
  • the interior can be at least partially filled with a potting or filling compound that protects the components mounted therein (moisture, mechanical damage, heat dissipation).
  • the first layer is effectively set up for EMC shielding and for this purpose surrounds the interior with the components mounted therein to an extent, i.e. largely, so that this goal is achieved.
  • the omission of individual openings or individual smaller insulating wall areas can be tolerable as long as the EMC shielding is not impaired. Individual examples are described below.
  • the first module housing is formed from a base component and a cover during manufacture before assembly. Both parts are preferably manufactured from the components using an injection molding process and can then be joined together (after installation of further components such as in particular the control device (circuit board) etc.) by ultrasonic welding, gluing or another sealing joining process.
  • a high-voltage connector section can be set up in the first module housing of the electronic heating device as a separate, subsequently mounted component, which is at least partially enclosed by a metal ring connected to a ground potential, wherein the metal ring in the first Layer of electrically conductive plastic material and/or embedded between the first layer and the second layer - in any case in contact with the first layer.
  • the metal ring can preferably be made of aluminum, copper or sheet steel.
  • the density of the carbon fibers can be reduced towards an edge of the mold due to the process.
  • the high-voltage connector section forms (among other things) electrical lines for providing a high-voltage vehicle electrical system or supply voltage, which preferably also requires special shielding.
  • the metal ring can therefore further support the shielding at this point as a "neuralgic point".
  • the shielding is further improved if the metal ring is electrically connected to a metal carrier plate of the heat exchanger module (preferably the flat cover wall, which according to embodiments protrudes laterally beyond the actual fluid chamber and thereby defines an attachment section) via a first metal line embedded in the electrically conductive plastic material.
  • a metal carrier plate of the heat exchanger module preferably the flat cover wall, which according to embodiments protrudes laterally beyond the actual fluid chamber and thereby defines an attachment section
  • the metal ring can additionally or alternatively be connected to a ground connection of a circuit board of the control device via a second metal line embedded in the electrically conductive plastic material. The effect here is analogous.
  • a low-voltage plug connector section can be set up in a section of the first module housing, wherein the first layer of the electrically conductive plastic material does not extend in the section, so that a wall of the first module housing in the region of this section is essentially only formed by the second layer of the electrically insulating plastic material.
  • this makes it possible to form an insulated plug section integrated in the housing wall, which saves additional parts and components.
  • an embodiment provides that in the first module housing at least one aperture for passing through an electrical connection between the Control device in the first module housing and a power switching part for switching the heating element in the second module housing.
  • a lead frame with conductor tracks embedded in a common plastic component can be arranged in the at least one aperture, wherein the conductor tracks contact corresponding connection points on a circuit board forming the control device.
  • the stamped grids enable a robust electrical connection with the power switching elements and/or with the heating elements, and allow a space-saving change of the sides of the heat exchanger, because the attachment of the first housing module to the second housing module preferably takes place in a direction essentially perpendicular to a plane of the heat exchanger, so that the nozzles (fluid inlet, fluid outlet) as well as the connector sections (high voltage, low voltage) can be made from the same side when installed in the vehicle.
  • the heating element(s) are arranged on an opposite side of the flat heat exchanger.
  • the through openings in the carrier plate of the heat exchanger therefore enable direct access to the second module housing on the side of the heating element(s).
  • the lead frame and a through-opening formed in the carrier plate and an aperture formed in the first module housing and aligned with the through-opening can extend into an interior of the first module housing, where it is fixed to the circuit board forming the control device by means of at least one positioning means, in particular a positioning pin.
  • fastening means in particular one or more screws, can be provided in order to fasten a carrier plate of the heat exchanger module to the first module housing, wherein the carrier plate has the through-opening which is aligned with the at least one aperture in the first module housing, so that the lead frame extends through the through-opening of the carrier plate and provides contact connections for its conductor tracks on the opposite side thereof.
  • a seal can be arranged between the mutually facing surfaces of the first module housing and the carrier plate of the second module housing (of the heat exchanger), which seal encloses the at least one through-opening or the at least one aperture (in the case of several through-openings and associated apertures encloses them together) and thereby protects the interior of the first module housing as well as an interior of the second module housing comprising the power switching part and the heating element from the ingress of moisture.
  • Figure 1 shows a perspective view of an electrical high-voltage heating device according to an embodiment
  • Figure 2 shows a plan view of an arrangement of heating elements on a carrier plate of a heat exchanger of the heating device from Figure 1;
  • Figure 3 shows a perspective view of the control module of the heating device from Figure 1, looking towards the outer second layer of electrically insulating plastic material;
  • Figure 5 as Figure 4, but with a view of the inner first layer of electrically conductive plastic material with the second layer hidden;
  • FIG 6 like Figure 5, but with the first and second layers hidden (only the base component, the cover still visible);
  • Figure 7 shows in isolated representation the positioning of punched grids, fastening screws, sheet metal inserts and seals
  • Figure 8 shows a perspective view of the interior of the first module housing according to the embodiment
  • Figure 9 shows a perspective view of the first module housing from behind, with the second layer as the outer surface
  • Figure 10 like Figure 9, but with the second layer hidden, i.e. with a view of the inner first layer;
  • FIG. 11 as Figure 8, but with all electronic components including control device installed but with the cover hidden;
  • Figure 12 is Figure 11 , but with control device hidden (printed circuit board and potting or filling material hidden);
  • Figure 13 is a perspective view of the first module housing from below, without leadframe;
  • Figure 14A is a perspective view of one of the lead frames
  • Figure 14B is another perspective view of the lead frame of Fig. 14A.
  • Fig. 1 shows a perspective view of an embodiment of an electric heating device 1 according to the present invention.
  • This is in particular a high-voltage liquid heater for electrically or hybrid-powered vehicles.
  • the electric heating device 1 essentially comprises three components, namely a heat exchanger 2, a heat conversion unit 3 and a control module 4.
  • the heat exchanger 2 and the heat conversion unit 3 can be structurally combined to form a heat exchanger module 5, to which the control module 4 is attached.
  • the heat exchanger module 5 has an essentially flat structure with a rectangular outline in plan view.
  • the heat exchanger 2 is oriented upwards in Fig. 1 and has a deep-drawn base component 24, which together with a flat or level cover component 25 forms a fluid chamber 26 that is also flat (in Fig. 1 the base component is at the top, the cover component at the bottom).
  • a flat peripheral edge of the base component is soldered or welded to the cover component in order to close off the fluid chamber at the side. Since the base component 24 in Fig. 1 rests on the cover component 25 (marked only by an arrow), the cover component 25 is barely visible.
  • a turbulator (not shown in the figures) is inserted in the fluid chamber 26, which mixes the fluid flowing through as described and supports the heat transfer to the fluid. The fluid can flow into the fluid chamber through a fluid inlet 21 and, after being heated, flow out again through the fluid outlet 22.
  • the heat conversion unit 3 has three heating elements 34 and a power switching component 35, which are covered by a housing cover 31, which is attached to the flat cover component 25 (or the edge of the base component 24 soldered or welded thereto) by means of folded tabs 33.
  • Attachment elements 23 project laterally outward from the housing cover 31 in the plane defined by the heat exchanger 2 and are formed integrally with the housing cover 31, which allow attachment in a vehicle.
  • the cover component 25 is designed as a flat plate and is referred to below as the carrier plate 25.
  • the base component 24 of the heat exchanger 2 and the housing cover 31 of the heat conversion unit 3 together form a second module housing 42 for the heat transfer module 5 in the special embodiment.
  • Fig. 2 shows the heating elements 34 and the power switching component 35 in the state mounted on the carrier plate 25 of the heat exchanger 2 in a top view.
  • the heating elements are designed as a ceramic substrate (as a carrier element), for example made of Al2O3, with a screen-printed heating conductor layer.
  • the heating conductor layer is designed as a metallization made of a resistance alloy and provides the corresponding heating resistance.
  • An insulation interruption ensures the structuring of long conductor tracks 36.
  • the ceramic substrate can be attached to the flat carrier plate 25 via a heat-conducting adhesive layer (not shown).
  • the heating conductor tracks 36 are designed with regard to their resistances (determined by thickness, length, width and specific sheet resistance of the material used) in such a way that they can generate the desired heating power at the provided operating voltage in the high-voltage range, in the exemplary embodiment 800 V, preferably in the range of 5 - 13 kW taken together.
  • the power switching component 35 is designed as a circuit board and has a number of power switching elements (not shown), for example IGBTs or power MOSFETs, with which the heating elements 34 can be operated in a PWM-controlled manner. For this purpose, corresponding connection pads of the heating conductor tracks 36 are connected to the power switching elements on the power switching component 35 via bond connections 37.
  • the power switching component 35 also has temperature sensors 38, which can detect a temperature for the purpose of regulating the heating operation.
  • their position on the power component corresponds to the fluid inlet 21 and the fluid outlet 22 on the back of the carrier plate 25.
  • the power switching component 35 is connected via further bonding connections 39 to respective connections that are set up on three stamped grids 8 that are assigned to the respective heating elements 34.
  • the bonding connections 39 contain electrical lines for the power supply (high voltage), for controlling the power switching elements and for communication with the temperature sensors.
  • the stamped grids 8 are arranged in through-openings 27 of the carrier plate 25, which are set up in a mounting area 52 of the carrier plate 25 for attaching and fixing the control module 4.
  • the control module 4 comprises a control device 40, a first module housing 41 receiving the control device, and a high-voltage connector section 6 and a low-voltage connector section 7 arranged therein.
  • the first module housing 41 has a roughly cuboidal structure.
  • the sections 7 and 8 are designed here as built-in plugs into which couplings of a corresponding vehicle-side high-voltage and low-voltage connection can be plugged.
  • Fig. 3 to 6 show more precise details of the structure of the control module 4, wherein in the perspective of Fig. 1, elements are successively hidden in order to allow a view into the interior of the control module 4.
  • the first module housing 41 has a base component 411 with a complex geometry and a substantially flat cover 412 which closes its opening (facing the rear in Fig. 3) and is fixed to it by ultrasonic welding.
  • the base component 411 and cover 412 define an interior space 413 (not shown in Fig. 3) in which the control device 40 is arranged.
  • the bond connections 37 from the heating elements 34 hidden in Fig. 3) to the power switching component 35 as well as the further bond connections 39 from the power switching component 35 to the lead frames 8, which in turn are connected to the control device 40.
  • a pressure equalization opening 419 is also shown, which connects an external environment with the interior 413 of the first module housing 41.
  • a Gore-Tex membrane 491 is attached at this point (e.g. by ultrasonic welding) to prevent moisture from entering, see Fig. 8 (only housing with pressure equalization opening 419, without further elements) and Fig. 12 (with membrane 491).
  • Fig. 4 shows the same view as Fig. 3, but with the high-voltage connector section 6 hidden. This reveals an opening 414 for the high-voltage connector section 6, which is designed as an independent component and is to be inserted therein and fixed with screws 415.
  • the first module housing 41 is formed largely from two-component plastic material.
  • the first module housing 41 comprises an inner first layer 44 and a second outer layer 45.
  • the view is directed to the outer surface of the first module housing, so that the outer second layer 45 can be seen.
  • the second outer layer 45 is formed from electrically insulating plastic.
  • this is a thermoplastic reinforced with glass fibers, for example PPS.
  • the proportion (mass) of glass fibers in the material is 40%.
  • Fig. 5 shows the same perspective of the first module housing 41 as in Fig. 3 or 4, but with the second layer 45 hidden so that the inner first layer 44 made of electrically conductive plastic material is visible.
  • the plastic material is a thermoplastic reinforced with carbon fibers. The proportion (by mass) of carbon fibers is 40%.
  • the thermoplastic here is also PPS, for example, so that both layers have similar and therefore compatible thermal properties. PPS is considered to be flame-retardant and is therefore particularly suitable for use in heaters.
  • the two plastic material compositions are injection molded one after the other.
  • the Plastic material of the first layer 44 is injection-molded and then, as long as the temperature is still slightly above 100 degrees, this is removed with the turntable and injected with the plastic material to form the second layer.
  • the temperature ensures that good adhesion is achieved, but does not cause mutual melting and mixing.
  • a corrugation 415 formed during injection molding can be seen in the first layer 44, which is also reflected in the second layer 45 injected onto it (not shown).
  • the first layer 44 does not extend into a section 442 in which the low-voltage connector section 7 is formed.
  • This section is, however, filled by the second layer 45, so that the low-voltage connector section 7 is formed integrally in the first module housing 41 (and does not represent a component to be subsequently fixed).
  • the pins 71 of the low-voltage connector section 7 extend directly through the second layer 45 and are thereby insulated from one another.
  • a recess 443 can be seen in the first layer 44 around the opening 414 for the high-voltage connector section 6.
  • the basic component 411 is at least a three-component material.
  • the sheet metal insert 9 further has a first metal line 92 and a second metal line 93, as can best be seen in Fig. 7, which are also at least partially embedded in the first layer 44.
  • the first metal line 92 extends from the Metal ring 91 to a connection on the carrier plate 25, which is formed by one of four fastening screws 28 for fixing the control module 4 to the carrier plate 25.
  • the second metal line 93 extends from the metal ring 91 to a connection on the circuit board 401 of the control device 40. The metal ring 91 is therefore safely at ground potential.
  • Fig. 8 shows surfaces of the sheet metal insert 9 that are partially exposed towards the interior 413 in the inner first layer 44.
  • Fig. 9 and 10 show the control module from the rear side, i.e. in particular the cover 412 of the module housing 41.
  • the view is directed to the outer second layer, which also forms the outer surface, and in Fig. 10, the view is clear to the inner first layer 44 (the second layer is hidden in Fig. 10).
  • the cover 412 is irreversibly fixed to the base component 411 by ultrasonic welding, for which purpose a groove 418 can be provided in the cover 412 (see Fig. 6), into which a circumferential nose 417 (see Fig. 8) of the base component 411 is inserted and welded.
  • the control device 40 can be seen best in Fig. 11. It is formed by a circuit board 401 with electronic components arranged thereon, in particular one or more microcontrollers (not shown).
  • a potting compound 402 stabilizes and protects the control device 40 in the interior 413 of the first module housing 41.
  • four positioning pins 407 are shown which extend from the first housing module 41 (as an integral part thereof) into the interior 413 and, in the installed state, extend through holes (not shown) in the circuit board 401 and are hot-stamped to it, so that the circuit board 407 is firmly positioned and stored in the interior 413.
  • the three punched grids 8 mentioned above are shown in Figs. 6 and 7 and in greater detail in Figs. 14A and 14B. These have conductor tracks punched from a sheet metal, which are embedded in a plastic component. The conductor tracks contact corresponding connection points on the circuit board 401 forming the control device 40. The relative positioning is achieved by dome-like positioning pins 85, which snap into corresponding holes formed in the circuit board 401 (not shown).
  • the lead frames 8 are spatially arranged in respective apertures 43, which are arranged in a lower region of the first module housing 41, as can be seen in Figs. 8 and 13.
  • the apertures 43 of the first Module housing 41 and the through openings 27 in the carrier plate 25 are aligned with each other so that the lead frames 8 extend through both and are fixed in their position.
  • the lead frames 8 have conductor tracks with connections at both ends.
  • the connections 81 are used to contact the bond connections 39, with which the electrical connection to the power switching component 35 is realized.
  • the connections 83 are designed like pins and, in the assembled state, are fixed (soldered) to contact points of the circuit board 401 using THT technology (through-hole mounting), i.e. connected to the control device.
  • Fig. 13 shows that on the underside of the first module housing 41, next to the apertures 43 for the lead frames 8, in the area of four wall reinforcements 493 (see Fig. 12) in the first module housing 41, holes 494 for self-tapping fastening screws 28 are made, which are shown in their position relative to the module housing in Figs. 6 and 7. Also visible in Fig. 13 is a seal 492 which encloses the at least one through-opening 27 or the aperture 43 and thereby protects the interior 413 of the first module housing 41 and an interior of the second module housing 42 which accommodates the power switching part 35 and the heating element 34 from moisture ingress.
  • the fastening screws 28 are inserted through corresponding holes (not shown) in the carrier plate 25 and screwed into the wall reinforcements 493 shown in Fig. 13.
  • the seal is placed between the facing surfaces of the carrier plate 25 and the first module housing or is molded onto the first module housing in a groove provided thereon and is pressed by the fixation.
  • the seal can advantageously be molded directly onto the base component 411 by molding.
  • the base component 411 is therefore at least a four-component material due to the two different plastics, the sheet metal insert and the seal.
  • FIG. 1 the disclosure content of the national German patent application with the file number DE 10 2022 128 489.1 , filed with the German Patent and Trademark Office on October 27, 2022, the priority of which is claimed here, is incorporated by reference into the present description.
  • the embodiment of a heating device shown in Figures 1 to 7 therein, referred to there as a heating arrangement (there with reference number 100), can also be a Embodiment of a heating device according to the present invention, insofar as the control housing of that application is made of a plastic material.
  • control housing (reference numeral 30, Fig. 1 and 4 - 7) from that application (DE'489) can correspond to the first module housing of the present description.
  • the carrier body (reference numeral 10) of that application (DE'489) can correspond to the carrier plate of the present description.
  • the control unit (reference numeral 3) of that application can correspond to the control module of the present description.
  • the control board (reference numeral 31) from that application (DE'489) can correspond to the circuit board of the present description.
  • the heat transfer side 11 and heating side 12 described in that application (DE'489) (cf. Figures 1 to 6 of the priority application) in relation to the carrier body and the carrier plate are also shown in the present Figure 1.
  • the cover body described in that application can correspond to the deep-drawn base component 24 of the heat exchanger of the present description.
  • the lead frame 8 is specified as a component with conductor tracks embedded in a common plastic component.
  • the priority application (DE'489).
  • the priority application (DE'489) it is described as a conductor track partially enclosed by a plastic insert, but the lead frames refer to the same object with the same functions, as shown in Fig. 1, 2, 4 and 6 - 7 of the priority application (DE'489).

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Abstract

Eine Elektrische Heizungsvorrichtung (1) für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, umfasst ein Heizungsvorrichtungsgehäuse, wenigstens ein Heizelement (34), das für einen Heizbetrieb bei einer Betriebsspannung im Hochvoltbereich ausgelegt ist, einen Wärmeübertrager (2), welcher mit dem wenigstens einen Heizelement (34) in thermischer Wirkverbindung steht, um die vom Heizelement (34) erzeugte Wärme an ein den Wärmeübertrager (2) durchströmendes Medium abzugeben; und ein Steuermodul (4). Das Steuermodul umfasst eine Steuervorrichtung (40), die eingerichtet ist, das wenigstens eine Heizelement (34) mit der Betriebsspannung im Hochvoltbereich zu versorgen und den Heizbetrieb des wenigstens einen Heizelements (34) zu steuern. Das Steuermodul (4) weist ein erstes Modulgehäuse (41) auf, das Teil des Heizungsvorrichtungsgehäuses ist, aus einem Kunststoff gebildet ist und die Steuervorrichtung (40) in sich aufnimmt.

Description

BESCHREIBUNG
ELEKTRISCHE HEIZUNGSVORRICHTUNG FÜR EIN FAHRZEUG
Querverweis zu verwandten Anmeldungen:
Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der nationalen deutschen Patentanmeldungen Nr. 10 2022 128 488.3 sowie Nr. 10 2022 128 489.1 in Anspruch, die am 27. Oktober 2022 beim Deutschen Patent- und Markenamt angemeldet wurden und deren Offenbarungsgehalt hierin vollumfänglich und für alle Zwecke durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
Technisches Gebiet:
Die Erfindung betrifft eine Heizanordnung sowie ein Heizgerät, vorzugsweise ein Hochvolt- Heizgerät, für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug.
Technischer Hintergrund:
Heizungsvorrichtungen kommen regelmäßig in Fahrzeugen zur Beheizung eines Innenoder Fahrgastraums oder von Komponenten wie etwa Batterien etc. zur Anwendung. In Elektro- oder Hybridfahrzeugen werden üblicherweise elektrische Heizungsvorrichtungen eingesetzt, wobei als Wärmeübertragungsmedien bzw. -fluide Luft oder Wasser verwendet werden, weil die Nutzung von Abwärme mangels eines Verbrennermotors nicht mehr in Frage kommt und solche auf Brennstoff basierende Stand - oder Zusatzheizungen in diesem Fall weder technisch sinnvoll noch wirtschaftlich sind. Andere Wärmeübertragungsmedien als die genannten sind ebenso möglich.
Elektrische Heizungsvorrichtungen können insbesondere durch den bei rein oder hybrid elektrisch betriebenen Fahrzeugen implementierten Hochvoltbereich besonders sinnvoll betrieben werden. Anders als bei konventionellen Fahrzeugen mit brennstoffbetriebenen Motoren, bei welchen das Energie-Bordnetz ausschließlich aus 12 Volt-Bleiakkumulatoren gespeist wird, finden bei elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen Fahrzeugbatterien als Energiespeicher Einsatz, die den Betrieb bei höheren Spannungen erlauben und damit einhergehend durch höhere Leistungen der Verbraucher überhaupt erst einen sinnvollen Antrieb ermöglichen. Für größere Verbraucher in Fahrzeugen mit Leistungen von z.B. 3 kW und mehr wie etwa Start-Stopp-Funktionen (einschl. Rekuperation), elektrisch betriebene Klimakompressoren und Heizgeräte etc. hat sich schon seit einiger Zeit die 48 Volt-Ebene etabliert. Diesen Ebenen steht als Bordnetzarchitektur in rein oder hybrid elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen mit hier erheblich vergrößerten Aggregaten (z.B. größer als 12 kW) der Hochvoltbereich gegenüber. Im Automobilsektor sind dabei Bordnetzspannungen von 250 - 800 V und mehr üblich. Ein Wert von 60 V wird z.B. allgemein als untere Grenze für den Hochvoltbereich angesehen (Vgl. "Spannungsklassen in der Elektromobilität", Hrsg.: Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. (ZVEI), Frankfurt, Dezember 2013).
Für entsprechende Fahrzeuge, die mit einem Hochvolt-Bordnetz ausgestattet sind, sind Hochvolt-Heizgeräte zur elektrischen Beheizung eines Medien- bzw. Fluidkreislaufs über einen Wärmeübertrager bzw. Wärmetauscher) weithin bekannt. Elektrische Energie kann hierbei z.B. durch als Schichtwiderstände ausgebildete Heizelemente mit hohem Wirkungsgrad in Wärme umgewandelt werden. Die Schichtwiderstände kontaktieren direkt oder mittelbar den Wärmeübertrager, um die erzeugte Wärme auf ein durchströmendes Fluid zu übertragen, welches nachfolgend zu dem Ort oder derjenigen Komponente geleitetet wird, wo die Wärme wieder abgegeben werden kann.
Die Versorgung der Heizelemente mit elektrischer Leistung sowie die Steuerung erfolgt üblicherweise durch eine Steuervorrichtung. Beispielsweise können die Heizelemente von der Steuervorrichtung durch Pulsweitenmodulation bei einer Versorgung mit Gleichspannung im Hochvoltbereich betrieben werden, um gezielt eine bestimmte Heizleistung zu bewirken, insbesondere im Fall einer Heizungsregelung. Die entsprechenden Schaltfrequenzen der hierzu erforderlichen Leistungsschaltelemente können im Kiloherzbereich liegen, ohne Beschränkung der Allgemeinheit z.B. im Bereich von 1 bis 250 kHz.
Die Kombination aus hohen Spannungen und teils hochfrequenten Schaltzyklen erfordern regelmäßig Maßnahmen hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV), insbesondere in Fahrzeugen, in welchen Störungen bzw. Wechselwirkungen mit anderen elektronischen Einrichtungen auftreten könnten. Neben als solchen bekannten schaltungstechnischen Maßnahmen ist hierbei auch eine ausreichende Abschirmung zu berücksichtigen. Üblicherweise werden die elektronischen Komponenten des Hochvolt-Heizgeräts daher in einem Metallgehäuse verbaut, wobei das Metallgehäuse regelmäßig auf dem Grundpotential der Leistungsversorgung liegt, um auch den Sicherheitsanforderungen zu genügen. Als Materialien können Aluminium-Druckguss oder tiefgezogene Stahlblechkonstruktionen etc. eingesetzt werden.
Solche Gehäuse, welche gleichzeitig auch einen Feuchtigkeits- und Verschmutzungsschutz für die enthaltenen elektronischen Bauteile und damit einen gewissen Grad an Dichtigkeit bereitstellen müssen, können aber auch einen komplexen Aufbau besitzen, um die verschiedenen Anforderungen zu erfüllen. Dies kann einen vielteiligen Aufbau erforderlich machen, insbesondere im Hinblick auf die beschränkte Formgebungsmöglichkeiten bei den Herstellungsverfahren, die erforderlichen bzw. gewünschten Leitungsdurchführungen und deren Isolation, welches im Allgemeinen die Kosten und den Herstellungsaufwand von Hochvolt-Heizgeräten erhöht.
Darstellung der Erfindung:
Es ist daher eine Aufgabe, eine elektrische Heizungsvorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, bereitzustellen, welche der Komplexität hinsichtlich Anforderungen an den Gehäuseaufbau Rechnung trägt und dabei die Nachteile hinsichtlich Kosten und Aufwand reduziert.
Einem Aspekt zufolge wird eine elektrische Heizungsvorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, vorgeschlagen, die ein Heizungsvorrichtungsgehäuse, wenigstens ein Heizelement, das für einen Heizbetrieb bei einer Betriebsspannung im Hochvoltbereich ausgelegt ist, einen Wärmeübertrager, welcher mit dem wenigstens einen Heizelement in thermischer Wirkverbindung steht, um die vom Heizelement erzeugte Wärme an ein den Wärmeübertrager durchfließendes Medium abzugeben; und ein Steuermodul umfasst, das eine Steuervorrichtung aufweist, die eingerichtet ist, das wenigstens eine Heizelement mit der Betriebsspannung im Hochvoltbereich zu versorgen und den Heizbetrieb des wenigstens einen Heizelements zu steuern. Das Steuermodul weist dabei ein erstes Modulgehäuse auf, das Teil des Heizungsvorrichtungsgehäuses und aus einem Kunststoff gebildet ist und die Steuervorrichtung in sich aufnimmt.
Unter einem Fahrzeug sind grundsätzlich alle möglichen mobilen Anwendungen zu verstehen, insbesondere Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Baumaschinen, Luftfahrzeuge und Wasserfahrzeuge. Dies umfasst z.B. auch Baumaschinen oder Kräne sowie Anhänger wie Wohnwägen, die durch andere Fahrzeuge gezogen und transportiert werden können. Ein Grundgedanke dieses Aspekts besteht darin, zumindest einen die Steuervorrichtung umfassenden Teil der als Hochvolt-Heizgerät ausgebildeten elektrischen Heizungsvorrichtung mit einem Gehäuse aus Kunststoff zu versehen. In der Breite des allgemeinen Erfindungsgedankens kann das erste Modulgehäuse auch umfassender Bestandteil des Heizungsvorrichtungsgehäuses sein und weitere Komponenten wie das Heizelement und/oder den Wärmeübertrager mit einschließen. Spezielle Ausführungsformen, die nachfolgend beschrieben sind, sehen vor, das erste Modulgehäuse als ein von einem weiteren (zweiten) Modulgehäuse des Wärmeübertragers und/oder Heizelements separates, aber als Bestandteil des Heizungsvorrichtungsgehäuses mit dem weiteren Modulgehäuse fest verbundenes einzurichten, wobei die beiden Modulgehäuse als Bauteile das Heizungsvorrichtungsgehäuse gemeinsam ausbilden.
Indem das erste Modulgehäuse aus Kunststoff gebildet ist, können mit geringem Aufwand komplexere Formen für das Modulgehäuse realisiert werden. Spritzgussverfahren eröffnen hier weitaus größere Freiheitsgrade bei der geometrischen Ausgestaltung als jene für die Metallbearbeitung zur Verfügung stehenden Verfahren. Ferner sind die Herstellungskosten niedriger, insbesondere auch, was die Materialkosten betrifft. Außerdem ist die Haltbarkeit bzw. Wiederverwendbarkeit beispielsweise von Gusswerkzeugen im Fall von Kunststoffspritzguss deutlich größer als im Fall von Aluminium-Druckguss, so dass auch hierdurch eine Kostenreduktion erzielt wird.
Was die elektromagnetische Verträglichkeit betrifft, wurde gefunden, dass den entsprechenden Anforderungen durch eine Berücksichtigung elektrisch leitfähiger Materialien Rechnung getragen werden kann, die im Kunststoff eingebettet sind und auf diese Weise für eine ausreichende elektromagnetische Abschirmung sorgen können. Speziellen Ausführungsformen zufolge können dies Metalleinleger einerseits und/oder elektrisch leitfähige Fasern, insbesondere Kohlenstofffasern, andererseits sein, welches nachfolgend näher beschrieben ist.
Der Einsatz von Kunststoff - insbesondere dessen Eigenschaft, die Einrichtung elektrisch leitfähiger Bereiche und elektrisch isolierender Bereiche im gleichen Formgussprozess zu erlauben - erhöht die Flexibilität bei der Gestaltung des ersten Modulgehäuses und ermöglicht zudem eine lokal elektrisch isolierte Durchleitung von Spannung führenden Leitungen, vorzugsweise im Niedervoltbereich, so dass in einem solchen Fall auf zusätzliche Dichtungen und passgenaue Steckereinsätze verzichtet werden kann. Die Steuervorrichtung kann eine Leiterplatte aufweisen oder durch eine solche implementiert sein, auf welcher ein oder mehrere Mikrocontroller sowie weitere elektronische Bauteile angeordnet sind. Der eine oder die mehreren Mikrocontroller können beispielsweise eine Kommunikation mit einem Bordnetzgerät (BCM) oder mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU) ermöglichen. Entsprechende Leitungsanschlüsse können auf der Leiterplatte realisiert sein. Ferner können Anschlüsse für eine Verbindung mit einer externen Energiequelle (Fahrzeugbatterie) implementiert sein. Darüber hinaus kann der eine oder die mehreren Mikrocontroller die Steuerung von Leistungsschaltelementen (z.B. Leistungs-MOSFETs oder IGBTs) ausführen, die ebenfalls auf dieser oder einer weiteren Leiterplatte etc. platziert sein können. Im Fall einer weiteren Leiterplatte kann diese getrennt von der Steuervorrichtung als Leistungsschaltbauteil im Umfeld der Heizelemente und optional außerhalb des ersten Modulgehäuses angeordnet sein.
Die Steuervorrichtung kann eingerichtet sein, eine Heizungsregelung durchzuführen. Eine oder mehrere Temperatursensoren können am Wärmeübertrager oder zumindest in dessen Nähe platziert und mit der Steuervorrichtung elektrisch leitend verbunden sein, um Temperaturen des Fluids zu erfassen und entsprechende Signale an die Steuervorrichtung weiterzuleiten. Die Steuervorrichtung bzw. ein Mikrocontroller derselben kann die Temperatur oder von dieser abgeleitete Werte mit einem Schwell- oder Zielwert vergleichen und abhängig von dem Ergebnis die Heizleistung einstellen, um eine gewünschte Zieltemperatur im Fluid z.B. am Fluidauslass einzustellen.
Zur Steuerung der Heizleistung kann die Steuervorrichtung die Leistungsschaltelemente mittels Pulsweitenmodulation betreiben. Die Betriebsspannung im Hochvoltbereich ist zu diesem Zweck bevorzugt eine Gleichspannung.
Es ist anzumerken, dass die elektrische Heizungsvorrichtung gemäß den hier beschriebenen Aspekten und Ausführungsformen insbesondere eine Flüssigkeitsheizung sein kann. Flüssigkeitsheizung bedeutet, dass das den Wärmeübertrager der Heizungsvorrichtung durchfließende Medium flüssig ist. Das Medium kann insbesondere flüssiges Kühlmittel eines Fahrzeuges sein, welches Wärme im Fahrzeug transportiert und an verschiedenen Stellen abgeben kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Flüssigkeitsheizung z.B. auch Bestandteil einer Wärmepumpe eines Fahrzeuges sein, so dass das Wärmeträgermedium z.B. ein Kältemittel einer Wärmepumpe sein oder umfassen kann. Dabei kann es sein, dass das Kältemittel nur unter bestimmten Bedingungen und nur temporär oder vielleicht auch nie in vollständig flüssiger Form vorliegt und ansonsten auch teilweise oder vollständig gasförmig ist. Dennoch wird auch darunter eine Flüssigkeitsheizung verstanden.
Die Flüssigkeitsheizung kann bevorzugt eine Heizleistung von mindestens 5 kW aufweisen, bevorzugt von mindestens 7 kW, beispielsweise von mindestens 9 kW. Die Heizleistung ist jeweils bevorzugt weniger als oder gleich 13 kW.
Die Betriebsspannung, mit der die Fahrzeugheizung (bzw. das oder die Heizelemente) betrieben wird, welche gleich der Bord- bzw. Versorgungspannung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges sein kann, kann größer oder gleich 60 V, vorzugsweise 400 V, weiter bevorzugt größer oder gleich 700 V, beispielsweise 800 V, 900 V oder 1000 V sein.
Die Flüssigkeitsheizung weist mindestens ein Heizelement auf. Die Steuervorrichtung kann auch mehrere der Heizelemente unabhängig voneinander oder parallel betreiben. Das oder die Heizelemente können eine Heizleiterschicht aufweisen, die als Schichtwiderstand wirken. Bevorzugt weist die Flüssigkeitsheizung mindestens zwei Heizelemente, besonders bevorzugt mindestens drei Heizelemente auf.
Eine Heizleiterschicht kann bevorzugt entsprechende Heizleiterbahnen aufweisen. Die Heizleiterschichten und Heizleiterbahnen können dabei auf einem einzigen Trägerelement gemeinsam angeordnet sein. Bevorzugt ist jede Heizleiterschicht bzw. jede Heizleiterbahn auf einem eigenen, separaten Trägerelement aufgebracht. Bei dem Trägerelement kann es sich auch um eine Wand oder Platte des Wärmeübertragers handeln, so dass sich Wärmeübertrager und Heizelement einzelne Elemente teilen können.
Das Heizelement beziehungsweise die Heizleiterschicht kann auf verschiedene Weise implementiert sein und die Erfindung ist nicht auf bestimmte Ausführungsformen derselben beschränkt. Das Heizelement kann beispielsweise aus thermisch gespritzten Schichten bestehen. Bei der Herstellung kann atmosphärisches Plasmaspritzen z.B. als Beschichtungsverfahren zur Anwendung kommen. Es ist auch möglich, beidseitig, also auch auf einer Deckelwand und einer Bodenwand des Wärmeübertragers, Heizelemente zu applizieren. Als Schichtaufbau ergibt sich, ausgehend von einer ebenen Platte, die durch eine Deckeloder Bodenwand des Wärmeübertragers gebildet wird, zunächst ein optionaler Haftgrund, weiters eine Isolationskeramik, die eigentliche Heizleiterschicht und gegebenenfalls eine Deckschicht beziehungsweise Versiegelung. Die Heizleiterschicht kann durch Laser oder mittels Maskierung strukturiert sein. Bei dem Material des Heizleiters kann es sich ein solches mit Linear- oder PTC-Widerstandsverhalten handeln.
Ferner kommen Heizelemente auf Polymerbasis mit PTC-Verhalten in Betracht. Hierbei kann es sich um Heizelemente aus Kunststofffolien handeln. Die Heizelemente bestehen in der Regel aus einem extrudierten oder laminierten Polymermatrix, in die ein Heizleiter und eine Plus- und Minus-Elektrode eingebettet ist.
Des Weiteren können die Heizelemente auch keramische Heizelemente mit PTC-Verhalten (Kaltleiter) sein.
Darüber hinaus kann das Heizelement als Dickschicht-Heizelement ausgeführt sein. Hierbei kann das Trägerelement wiederum eine Platte des Wärmeübertragers sein. Auf dieses bzw. dieser wird das Dickschicht-Heizelement appliziert, bei dem es sich um ein Dielektrikum und einen Heizleiter zur Darstellung eines flächigen Heizwiderstands handeln kann.
Außerdem kann das Heizelement als keramisches Substrat (als Trägerelement), beispielsweise aus AI2O3, mit siebgedruckter Heizleiterschicht ausgeführt sein. Hierbei kann die Heizleiterschicht beispielsweise als Metallisierung aus einer Widerstandslegierung ausgebildet sein, welche den entsprechenden Heizwiderstand darstellt. In Betracht kommen unter anderem eine Eisen-Nickel-Legierung oder eine Nickel-Chrom-Legierung. Eine Isolierunterbrechung sorgt für die Strukturierung langer Leiterbahnen aus der ansonsten flächig aufgetragenen und später eingebrannten Schicht und kann beispielsweise bereits beim Aufträgen mittels eines Siebdruckprozesses erzeugt werden. Das keramische Substrat kann eine keramische Trägerplatte sein. Diese Ausführungsform eines Heizelements ist Aspekten der Erfindung zufolge bevorzugt.
Im Fall des beschriebenen Heizelements auf Polymerbasis mit PTC-Verhalten, des keramischen Heizelements mit PTC-Verhalten oder des Heizelements als keramisches Substrat mit siebgedruckter Heizleiterschicht kann das flächige Heizelement auf eine Außenseite der im Regelfall als ebene Platte ausgeführten Deckel- oder Bodenwand mittels eines thermischen Vermittlers als Haftschicht appliziert werden, z.B. thermisch leitfähiger Klebstoff. Der thermische Vermittler kann aber auch in Kombination mit einer Anpressvorrichtung eingesetzt werden. Es ist anzumerken, dass gemäß Ausführungsformen der Erfindung auch eine beidseitige Applikation von Heizelementen am Wärmeübertrager vorgesehen sein kann, also an der Deckelwand und an der Bodenwand.
Der Wärmeübertrager selbst kann z.B. aus Stahl oder Aluminium gefertigt sein, bevorzugt auch als Blechwärmeübertrager. Speziellen Ausführungsformen zufolge umfassen die eine flache Fluidkammer des Wärmeübertragers ausbildenden Begrenzungswände eine Deckelwand, eine der Deckelwand gegenüberliegende Bodenwand sowie diese verbindende schmale Seitenwände, die zum Beispiel durch wannenartiges Tiefziehen der deckel- oder Bodenwand gebildet sind, wobei ein Fluideinlass und ein Fluidauslass z.B. in der Bodenwand ausgebildet sind. Die Deckelwand und die Bodenwand sind vorzugsweise flächig ausgebildet und erstrecken im Wesentlichen entlang einer vom Wärmeübertrager festgelegten Ebene.
Die beschriebene, rein beispielhafte, aber vorteilhafte Ausführung des Wärmeübertragers beinhaltet, dass eine Bauhöhe senkrecht zur Deckelwand, an welcher das Heizelement angebracht sein kann, oder welche das Heizelement mit ausbildet, deutlich geringer ist als eine Breite und Länge, mit der er sich parallel zur Deckelwand erstreckt.
Der Wärmeübertrager kann gemäß Ausführungsbeispielen bevorzugt zweiteilig ausgebildet sein. Er kann ein Bodenteil und ein Deckelteil aufweisen, die zusammen mit einem darin eingelegten Turbulator miteinander stoff- und ggf. auch form- und/oder kraftschlüssig verbunden sind, insbesondere durch Löten oder Schweißen. Die Bodenwand kann zusammen mit den Seitenwänden Teil des Bodenteils sein und die Deckelwand kann Teil eines vorzugsweise als ebene Platte ausgebildeten Deckelteils sein. Deckelwand und Deckelteil können identisch sein.
Der Turbulator kann eine vorzugsweise filigrane Struktur aufweisen und eine Gitterstruktur beinhalten. Er steht vorzugsweise wenigstens mit der Deckelwand in thermisch leitendem Kontakt, um die über diese übertragene Wärme in die umströmten Gitterstrukturen zu leiten, damit das Fluid aufgrund der großen Kontaktfläche zwischen dem Fluid und dem Gitter die Wärme effizient aufnimmt. Der Turbulator kann die Fluidströmung in dem Innenraum hin zu einer turbulenten Strömung verändern, so dass das durch den Innenraum strömende Medium bzw. Fluid besser durchmischt wird, wodurch die Effizienz des Wärmeübertragers weiter gesteigert wird. Der gitterartige Turbulator kann beispielsweise aus einem einzigen Blech gefertigt sein. Zur Herstellung können zunächst Schlitze in das Blech gestanzt werden. Anschließend kann z.B. durch ein „Ziehharmonika-artiges“ Falten eine gitterartige Struktur des Turbulators entstehen. Der Turbulator kann aus dem gleichen Material gefertigt sein, wie die Boden- und/oder die Deckelwand. Bevorzugt ist der Turbulator auch an der Bodenwand befestigt, um bei den hohen Drücken des durchströmenden Fluids ein dynamisches Aufwölben und damit ein Verändern der hydrodynamischen Verhältnisse zu vermeiden. Alternativ zum Einlegen eines zusammenhängenden gitterartigen Turbulators kann auch vorgesehen sein, dass die Bodenwand und/oder die Deckelwand eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweisen, die im zusammengesetzten Zustand in den Innenraum hineinragen und dort somit ebenfalls einen gitterartigen Turbulator ausbilden. Andere Ausführungsformen für einen wärmeübertragenden Mechanismus sind ebenso möglich.
Einer speziellen Ausführungsform der Erfindung zufolge bilden der Wärmeübertrager und das wenigstens eine Heizelement ein Wärmeübertragermodul aus und sind von einem zweiten Modulgehäuse aufgenommen. Sie bilden eine in Bezug auf das Steuermodul separate Einheit, sind aber mit diesem strukturell und elektrisch mit diesem verbunden. Das erste Modulgehäuse ist hierbei ein von dem zweiten Modulgehäuse verschiedenes Bauteil. Das zweite Modulgehäuse kann gemäß den oben angeführten Ausführungsformen durch das wannenförmige Bodenteil des Wärmeübertragers und ein einem daran beziehungsweise an dem ebenen Deckelteil des Wärmeübertragers angebrachten Gehäusedeckel zum Einhausen des oder der Heizelemente (und optional eines zugeordneten Leistungsschalbauteils) gebildet sein. Insbesondere kann das zweite Modulgehäuse aus Stahlblech und/oder Aluminium-Druckguss etc. gebildet sein.
Einer besonderen Weiterbildung der beschriebenen Aspekte und Ausführungsformen zufolge weist das erste Modulgehäuse eine erste Schicht aus elektrisch leitfähigem Kunststoffmaterial auf. Unter einer Schicht wird hier eine flächige Struktur verstanden. Es ist in der Breite dieses Aspekts nicht notwendig, dass diese Schicht eine nahezu vollständige Einhüllung eines Innenraums bereitstellt, Durchlässe und ausschließlich isolierende Wandbereiche sind auch möglich, wie weitergehende Ausführungsformen es vorsehen, die unten beschrieben sind.
Es wurde aber gefunden, dass durch die erste Schicht aus elektrisch leitfähigem Kunststoffmaterial eine weitgehende Abschirmung in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit gerade auch im vorliegenden Heizbetrieb Hochvoltbereich erreicht werden kann, wenn sich diese Schicht über zumindest große bzw. wesentliche Teile der Modulgehäusewand erstreckt. Im Hinblick auf EMV kann sie daher durchaus das konventionelle Metallgehäuse in der Wirkung ersetzen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das elektrisch leitfähige Kunststoffmaterial ein mit Kohlenstofffasern verstärkter Kunststoff. Der Masseanteil an Kohlenstofffasern kann Weiterbildungen zu folge zwischen 10% und 80 % liegen, bevorzugt zwischen 20 % und 60 %, weiter bevorzugt zwischen 30 % und 50%, noch weiter bevorzugt zwischen 35 % und 45 %, idealerweise etwa 40 %. In letzterem Fall werden am meisten befriedigende Ergebnisse hinsichtlich gleichzeitiger Festigkeit, elastischem Verhalten, Dauerhaftigkeit, Spritzgusseigenschaften, elektrischen und thermischen Eigenschaften erhalten.
Bei dem verwendeten Kunststoff, in welchen die Kohlenstofffasern eingebracht bzw. eingebettet sind, handelt es sich bevorzugt um einen temperaturbeständigen, wärmewiderstandsfähigen Kunststoff, insbesondere einen thermoplastischen Kunststoff, vorzugsweise PPS (Polyphenylensulfid). Bei den Kohlenstofffasern kann es sich um beliebige Fasertypen handeln, u.a. HT - hochfest (High Tenacity), UHT - sehr hochfest (Ultra High Tenacity), LM - Low Modulus, IM - intermediate (Intermediate Modulus), HM - hochsteif (High Modulus), UM - (Ultra Modulus), UHM - (Ultra High Modulus), UMS - (Ultra Modulus Strength), HMS - hochsteif/hochfest (High Modulus / High Strain). Die Filamentgröße sowie die Dicht von Filamenten bzw. Fasern in der Polymermatrix ist so gewählt, dass unter anderem auch die gewünschten elektrischen Eigenschaften für die vorliegende Anwendung erreicht werden.
Eine weitergehende Ausführungsform sieht vor, dass das erste Modulgehäuse eine zweite Schicht aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial aufweist. Durch eine solche zweite Schicht wird es insbesondere in Kombination mit der ersten Schicht aus elektrisch leitfähigem Kunststoffmaterial möglich, gleichzeitig den Anforderungen an die EMV im Hochvoltbereich (erste Schicht) Rechnung zu tragen und Wandbereiche im ersten Modulgehäuse des Steuermoduls zu schaffen, die durch vollständige Isolation (nur die zweite Schicht ausgebildet) eine einfache Durchführung von Leitungen durch die Gehäusewand zu erlauben (z.B. für in die Wand integrierte Niedervoltstecker).
Besonders hervorzuheben ist aber, dass, weil die erste Schicht trotz elektrischer Leitfähigkeit einen im Vergleich beispielsweise zu einem Aluminium-Druckguss deutlich höheren spezifischen Widerstand aufweist, eine außenoberflächlich auf der ersten Schicht angebrachte zweite Schicht die Sicherheit von das Heizgerät berührenden Personen (etwa bei der Wartung des Heizgeräts oder benachbart angeordneter Komponenten) vor gesundheitsgefährdenden Stromschlägen erhöht. Einer Weiterbildung dieser Aspekte zufolge kann das elektrisch isolierende Kunststoffmaterial einen mit Glasfasern verstärkter Kunststoff sein. Der Masseanteil an Glasfasern kann Weiterbildungen zu folge zwischen 10% und 80 % liegen, bevorzugt zwischen 20 % und 60 %, weiter bevorzugt zwischen 30 % und 50%, noch weiter bevorzugt zwischen 35 % und 45 %, idealerweise etwa 40 %. In letzterem Fall werden am meisten befriedigende Ergebnisse hinsichtlich gleichzeitiger Festigkeit, elastischem Verhalten, Dauerhaftigkeit, Spritzgusseigenschaften, elektrischen und thermischen Eigenschaften erhalten, insbesondere auch im Zusammenspiel mit den entsprechenden Eigenschaften der ersten Schicht.
Das erste Modulgehäuse kann den oben beschriebenen Beispielen zufolge dementsprechend einen 2-Komponentenaufbau aufweisen, wobei die zweite Schicht außenliegend eine freiliegende Außenoberfläche des ersten Modulgehäuses ausbildet und die erste Schicht relativ zur zweiten Schicht innenliegend einen Innenraum des Modulgehäuses weitgehend umgibt, wobei vorzugsweise die erste Schicht die zweite Schicht aneinander angeformt sind und ein einstückiges Bauteil ausbilden. Die erste Schicht kann dabei optional auch eine einen Innenraum des erste Modulgehäuses festlegende Oberfläche ausbilden, kann aber ggf. auch selbst wieder ganz oder teilweise zum Innenraum hin beschichtet sein. Es ist anzumerken, dass der Innenraum mit einer die darin angebrachten Komponenten schützenden (Feuchtigkeit, mechanische Beschädigungen, Wärmeableitung) Verguss- oder Füllmasse zumindest teilweise verfüllt sein kann. Wichtig ist, dass die erste Schicht für die EMV- Abschirmung wirksam eingerichtet ist und zu diesem Zweck den Innenraum mit darin angebrachten Komponenten in einem Ausmaß, d.h. weitgehend, umgibt, so dass diese Ziel erreicht wird. Die Auslassung einzelner Öffnungen oder einzelner kleinerer isolierender Wandbereiche kann dabei tolerierbar sein, solange die EMV-Abschirmung nicht beeinträchtigt ist. Einzelne Beispiele werden weiter unten beschrieben.
Dies schließt nicht aus, dass das erste Modulgehäuse bei der Herstellung vor dem Zusammenfügen aus einem Grundbauteil und einem Deckel gebildet ist. Beide Teile sind aus den Komponenten vorzugsweise in einem Spritzgussverfahren hergestellt und können anschließend (nach Installation weitere Bauteile wie insbesondere die Steuervorrichtung (Leiterplatte) etc.) durch Ultraschallwscheißen, Kleben oder einem anderen dichtenden Fügeverfahren zusammengefügt werden.
In dem ersten Modulgehäuse der elektronischen Heizvorrichtung kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Hochvolt-Steckverbinderabschnitt als separates, nachträglich montiertes Bauteil eingerichtet sein, welcher von einem mit einem Grundpotential verbundenen Metallring zumindest teilweise umschlossen ist, wobei der Metallring in der ersten Schicht aus elektrisch leitfähigem Kunststoffmaterial und/oder zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht eingebettet ist - jedenfalls in Kontakt mit der ersten Schicht ist. Der Metallring kann vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer oder Stahlblech gebildet sein.
Es wurde nämlich gefunden, dass insbesondere bei dem 2-Komponentenspritzguss eine Dichte der Kohlenstofffasern nach einem Rand der Gussform prozessbedingt verringert sein kann. Eine in dem ersten Modulgehäuse ausgebildete Öffnung, die erst nachträglich durch Einbringen des separaten Steckverbinderabschnitts verschlossen wird, bildet einen solchen Rand aus. Der Hochvolt-Steckverbinderabschnitt bildet allerdings (ggf unter anderem) elektrische Leitungen zur Bereitstellung einer Hochvolt-Bordnetz- bzw. Versorgungsspannung aus, die vorzugsweise ebenfalls einer besonderen Abschirmung bedarf. Der Metallring kann an dieser Stelle als „neuralgischen Punkt“ folglich die Abschirmung weiter unterstützen. Durch Einbetten in die erste Schicht aus elektrisch leitfähigem Material ist er bereits an dem leitfähigen Teil des Gehäuses angeschlossen.
Weiter verbessert wird die Abschirmung, wenn der Metallring über eine erste, in dem elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterial eingebettete Metallleitung mit einer metallischen T rägerplatte des Wärmeübertragermoduls (vorzugsweise der ebenen Deckelwand, die Ausführungsbeispielen zufolge seitlich über die eigentlich Fluidkammer übersteht und dadurch einen Anbringabschnitt festlegt) elektrisch leitend verbunden ist. Dies verbessert auch die Grundpotentialanbindung der ersten Schicht, in die der Ring und die Metallleitung eingebettet ist, die sozusagen eine „Abflusskanal“ für elektrische Ladung zum Potentialausgleich ausbildet. Gleichermaßen kann der Metallring zusätzlich oder alternativ über eine zweite, in dem elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterial eingebettete Metallleitung mit einem Masseanschluss einer Leiterplatte der Steuervorrichtung verbunden sein. Der Effekt ist hier analog.
Außerdem kann wie oben angedeutet in einem Abschnitt des ersten Modulgehäuses ein Niedervolt-Steckverbinderabschnitt eingerichtet sein, wobei sich in dem Abschnitt die erste Schicht aus dem elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterial nicht erstreckt, so dass eine Wand des ersten Modulgehäuses im Bereich dieses Abschnitts im Wesentlichen nur durch die zweite Schicht aus dem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial ausgebildet wird. Wie beschrieben ermöglicht es dies, einen in der Gehäusewand integrierten isolierten Steckerabschnitt auszubilden, welches zusätzliche Teile und Komponenten einspart.
Desweiteren sieht ein Ausführungsbeispiel vor, dass in dem ersten Modulgehäuse wenigstens eine Apertur zum Hindurchführen einer elektrischen Verbindung zwischen der Steuervorrichtung in dem ersten Modulgehäuse und einem Leistungsschaltteil zum Schalten des Heizelements in dem zweiten Modulgehäuse ausgebildet ist. In der wenigstens einen Apertur kann in diesem Fall jeweils ein Stanzgitter mit in einem gemeinsamen Kunststoffbauteil eingebetteten Leiterbahnen angeordnet sein, wobei die Leiterbahnen entsprechende Anschlussstellen auf einer die Steuervorrichtung ausbildenden Leiterplatte kontaktieren.
Die Stanzgitter ermöglichen eine robuste elektrische Verbindung mit den Leistungsschaltelementen und/oder mit den Heizelementen, und erlauben einen platzsparenden Wechsel der Seiten des Wärmeübertragers, denn die Anbringung des ersten Gehäusemoduls an dem zweiten Gehäusemodul erfolgt bevorzugt in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zu einer Ebene des Wärmeübertragers, so dass die Stutzen (Fluideinlass, Fluidauslass) sowie auch die Steckverbinderabschnitte (Hochvolt, Niedervolt) in einem in Fahrzeug verbauten Zustand von der gleichen Seite erfolgen können. Dies wiederum erfordert es aber, dass das oder die Heizelemente auf einer gegenüberliegende Seite des flachen Wärmeübertragers angeordnet sind. Die Durchgangsöffnungen in der Trägerplatte des Wärmeübertragers ermöglichen daher einen direkten Zugang in das zweite Modulgehäuse auf der Seite des oder der Heizelemente.
Mit Vorteil kann sich das Stanzgitter und eine in der Trägerplatte gebildete Durchgangsöffnung und eine im ersten Modulgehäuse gebildete und auf die Durchgasöffnung ausgerichtete Apertur in einen Innenraum des ersten Modulgehäuses hinein erstrecken, wo es mit wenigstens einem Positioniermittel, insbesondere einem Positionierstift, an der die Steuervorrichtung ausbildenden Leiterplatte fixiert ist.
Für die gegenseitige Fixierung der beiden Modulgehäuse können Befestigungsmittel, insbesondere eine oder mehrere Schrauben, bereitgestellt sein, um eine T rägerplatte des Wärmeübertragermoduls an dem ersten Modulgehäuse zu befestigen, wobei die Trägerplatte die Durchgangsöffnung aufweist, die auf die wenigstens eine Apertur im ersten Modulgehäuse ausgerichtet ist, so dass sich das Stanzgitter durch die Durchgangsöffnung der Trägerplatte hindurch erstreckt und auf deren gegenüberliegenden Seite Kontaktanschlüsse für seine Leiterbahnen bereitstellt.
Zwischen den einander zugewandten Oberflächen des ersten Modulgehäuses und der Trägerplatte des zweiten Modulgehäuses (des Wärmeübertragers) kann dabei eine Dichtung eingerichtet sein, welche die wenigstens eine Durchgangsöffnung beziehungsweise die wenigstens Apertur umschließt (im Falle mehrerer Durchgangsöffnungen und zugeordneter Aperturen diese gemeinsam umschließt) und dadurch den Innenraum des ersten Modulgehäuses sowie einen das Leistungsschaltteil und das Heizelement umfassenden Innenraum des zweiten Modulgehäuses vor Feuchtigkeitseintritt schützt.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Unteransprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1 in einer perspektivischen Ansicht eine elektrische Hochvolt-Heizvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Figur 2 in Draufsicht eine Anordnung von Heizelementen auf einer T rägerplatte eines Wärmeübertragers der Heizvorrichtung aus Figur 1 ;
Figur 3 in perspektivscher Ansicht das Steuermodul der Heizvorrichtung aus Figur 1 , mit Blick auf die äußere zweite Schicht aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial;
Figur 4 wie Figur 3, aber mit ausgeblendetem Hochvolt-Steckverbinderabschnitt;
Figur 5 wie Figur 4, aber mit Blick auf die innere erste Schicht aus elektrisch leitfähigem Kunststoffmaterial bei ausgeblendeter zweiter Schicht;
Figur 6 wie Figur 5, aber mit ausgeblendeter erster und zweiter Schicht (nur Grundbauteil, Deckel weiterhin sichtbar);
Figur 7 in isolierter Darstellung die Positionierung von Stanzgittern, Befestigungsschrauben, Blecheinleger und Dichtung;
Figur 8 in perspektivischer Ansicht einen Blick in den Innenraum des ersten Modulgehäuses gemäß dem Ausführungsbeispiel;
Figur 9 in perspektivischer Ansicht das erste Modulgehäuse von hinten, mit zweiter Schicht als Außenoberfläche;
Figur 10 wie Figur 9, aber mit ausgeblendeter zweiter Schicht, d.h. mit Blick auf die innere erste Schicht;
Figur 11 wie Figur 8, aber mit allen elektronischen Komponenten einschließlich Steuervorrichtung im verbauten Zustand aber bei ausgeblendetem Deckel;
Figur 12 wie Figur 11 , aber mit ausgeblendeter Steuervorrichtung (ausgeblendete Leiterplatte und Verguss- bzw. Füllmaterial); Figur 13 eine perspektivische Ansicht des ersten Modulgehäuses von unten, ohne Stanzgitter;
Figur 14A eine perspektivische Ansicht eines der Stanzgitter;
Figur 14B eine weitere perspektivische Ansicht des Stanzgitters aus Fig. 14A.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsform(en):
In der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels ist zu berücksichtigen, dass die vorliegende Offenbarung der verschiedenen Aspekte nicht auf die Details des Aufbaus und der Anordnung der Komponenten beschränkt ist, wie sie in der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren dargestellt sind. Das Ausführungsbeispiel kann auf verschiedenen Wegen in die Praxis umgesetzt oder ausgeführt werden. Es ist des Weiteren zu berücksichtigen, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie lediglich zum Zweck der konkreten Beschreibung verwendet wird und diese sollten nicht durch den Fachmann als solche in einschränkender Weise ausgelegt werden. Ferner bezeichnen in nachfolgender Beschreibung gleiche Bezugszeichen in dem Ausführungsbeispiel oder den Figuren gleiche oder ähnliche Merkmale oder Gegenstände, so dass in einigen Fällen auf eine wiederholte detaillierte Beschreibung derselben verzichtet wird, um die Kompaktheit und Übersichtlichkeit der Darstellung zu bewahren.
In der Fig. 1 ist in perspektivischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Heizvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Es handelt sich hierbei insbesondere um eine Hochvolt-Flüssigkeitsheizung für elektrisch oder hybrid betriebene Fahrzeuge.
Die elektrische Heizvorrichtung 1 umfasst im Wesentlichen drei Komponenten, nämlich einen Wärmeübertrager 2, eine Wärmeumwandlungseinheit 3 und ein Steuermodul 4. Der Wärmeübertrager 2 und die Wärmeumwandlungseinheit 3 lassen sich baulich zu einem Wärmeübertragermodul 5 zusammenfassen, an welchem das Steuermodul 4 befestigt ist. Das Wärmeübertragermodul 5 besitzt einen im wesentlichen flachen Aufbau mit rechteckförmigem Grundriss in Draufsicht.
Der Wärmeübertrager 2 ist in Fig. 1 nach oben orientiert und weist ein tiefgezogenes Bodenbauteil 24 auf, das zusammen mit einem flachen bzw. ebenen Deckelbauteil 25 eine ebenfalls flache Fluidkammer 26 ausbildet (in Fig. 1 liegt das Bodenbauteil oben, das Deckelbauteil unten). Ein flacher umlaufender Rand des Bodenbauteils ist mit dem Deckelbauteil verlötet oder verscheißt, um die Fluidkammer seitlich abzuschließen. Da das Bodenbauteil 24 in Fig. 1 auf dem Deckelbauteil 25 (nur durch Pfeil gekennzeichnet) aufliegt, ist das Deckelbauteil 25 kaum sichtbar. In der Fluidkammer 26 ist ein (nicht in den Figuren gezeigter) Turbulator eingesetzt, der wie beschrieben das durchströmende Fluid vermischt und die Wärmeübertragung auf das Fluid unterstützt. Das Fluid kann durch einen Fluideinlass 21 in die Fluidkammer einströmen und nach Erwärmung durch den Fluidauslass 22 wieder ausströmen.
Die Wärmeumwandlungseinheit 3 weist drei Heizelemente 34 sowie ein Leistungsschaltbauteil 35 auf, die von einem Gehäusedeckel 31 abgedeckt sind, der an dem ebenen Deckelbauteil 25 (bzw. dem daran gelöteten oder verschweißten Rand des Bodenbauteils 24) mit Hilfe von gefalteten Laschen 33 befestigt ist. Vom Gehäusedeckel 31 stehen in der durch den Wärmeübertrager 2 festgelegten Ebene seitlich nach außen gerichtete und integral mit dem Gehäusedeckel 31 ausgebildete Anbringelemente 23 vor, die eine Befestigung in einem Fahrzeug erlauben.
Das Deckelbauteil 25 ist als ebene Platte ausgebildet und wird nachfolgend als Trägerplatte 25 bezeichnet. Das Bodenbauteil 24 des Wärmeübertragers 2 und der Gehäusedeckel 31 der Wärmeumwandlungseinheit 3 bilden zusammengenommen in dem speziellen Ausführungsbeispiel ein zweites Modulgehäuse 42 für das Wärmübertragungsmodul 5.
Die Fig. 2 zeigt die Heizelemente 34 sowie das Leistungsschaltbauteil 35 in dem auf der Trägerplatte 25 des Wärmeübertragers 2 angebrachten Zustand in Draufsicht. Die Heizelemente sind im Ausführungsbeispiel als keramisches Substrat (als T rägerelement), beispielsweise aus AI2O3, mit siebgedruckter Heizleiterschicht ausgeführt. Die Heizleiterschicht ist als Metallisierung aus einer Widerstandslegierung ausgebildet und stellt den entsprechenden Heizwiderstand bereit. Eine Isolierunterbrechung sorgt für die Strukturierung langer Leiterbahnen 36. Das keramische Substrat kann über eine wärmeleitende Haftschicht (nicht gezeigt) an der ebenen Trägerplatte 25 angebracht sein.
Die Heizleiterbahnen 36 sind hinsichtlich ihrer Widerstände (Festgelegt durch Dicke, Länge, Breite und spezifischem Schichtwiderstand des verwendeten Materials) solchermaßen ausgelegt, dass sie bei der bereitgestellten Betriebsspannung im Hochvoltbereich, im Ausführungsbeispiel 800 V, die gewünschte Heizleistung erzeugen können, vorzugsweise im Bereich von zusammengenommen 5 - 13 kW. Das Leistungsschaltbauteil 35 ist als Leiterplatte ausgeführt und weist eine Anzahl nicht gezeigter Leistungsschaltelemente auf, beispielsweise IGBTs oder Leistungs-MOSFETs, mit denen die Heizelemente 34 PWM-gesteuert betrieben werden können. Entsprechende Anschluss-Pads der Heizleiterbahnen 36 sind zu diesem Zweck über Bondverbindungen 37 mit den Leistungsschaltelementen auf dem Leistungsschaltbauteil 35 verbunden.
Das Leistungsschalbauteil 35 weist ferner Temperatursensoren 38 auf, die zum Zweck einer Regelung des Heizbetriebs eine Temperatur erfassen können. Ihre Position auf dem leis- tungsbauteil entspricht im Ausführungsbeispiel dem Fluideinlass 21 und dem Fluidauslass 22 auf der Rückseite der Trägerplatte 25.
Das Leistungsschaltbauteil 35 ist über weitere Bondverbindungen 39 mit jeweiligen Anschlüssen verbunden, die an drei Stanzgittern 8 eingerichtet sind, die den jeweiligen Heizelementen 34 zugeordnet sind. Die Bondverbindungen 39 beinhalten elektrische Leitungen für die Leistungsversorgung (Hochvolt), für die Steuerung der Leistungsschaltelemente sowie für die Kommunikation mit den Temperatursensoren. Die Stanzgitter 8 sind in Durchgangsöffnungen 27 der Trägerplatte 25 angeordnet, die in einem Anbringbereich 52 der Trägerplatte 25 zum Anbringen und Fixieren des Steuermoduls 4 eingerichtet sind.
Das Steuermodul 4 umfasst eine Steuervorrichtung 40, ein diese aufnehmendes erstes Modulgehäuse 41 , sowie einen darin angeordneten Hochvolt-Steckverbinderabschnitt 6 und einen Niedervolt-Steckverbinderabschnitt 7. Das erste Modulgehäuse 41 besitzt einen grob quaderförmigen Aufbau. Die Abschnitte 7 und 8 sind hier als Einbaustecker ausgebildet, in welche Kupplungen eines entsprechenden fahrzeugseitigen Hochvolt- und Niedervoltanschlusses einsteckbar sind.
Die Fig. 3 bis 6 zeigen genauere Details des Aufbaus des Steuermoduls 4, wobei in der Perspektive der Fig. 1 sukzessive Elemente ausgeblendet sind, um einen Blick in das Innere des Steuermoduls 4 zu gestatten.
In Fig. 3 ist lediglich noch das Steuermodul 4 und das mit der Steuervorrichtung 40 verbundene Leistungsschaltbauteil 35 gezeigt. Darin ist zu sehen, dass das erste Modulgehäuse 41 ein Grundbauteil 411 mit komplexer Geometrie und einen dessen (in Fig. 3 nach hinten gerichtete) Öffnung verschließenden, und daran durch Ultraschallschweißen fixierten, im wesentlichen flachen Deckel 412 aufweist. Grundbauteil 411 und Deckel 412 legen einen (in Fig. 3 nicht gezeigten) Innenraum 413 fest, in welchem die Steuervorrichtung 40 angeordnet ist. Zu sehen sind in Fig. 3 ferner die Bondverbindungen 37 von den (in Fig., 3 ausgeblendeten) Heizelementen 34 zum Leistungsschaltbauteil 35 sowie ansatzweise die weiteren Bondverbindungen 39 vom Leistungsschaltbauteil 35 zu den Stanzgittern 8, die wiederum mit der Steuervorrichtung 40 verbunden sind.
In Fig. 3 ist ferner noch eine Druckausgleichsöffnung 419 gezeigt, die eine äußere Umgebung mit dem Innenraum 413 des ersten Modulgehäuses 41 verbindet. Innenseitig ist eine an dieser Stelle eine Gore-Tex-Membran 491 angebracht (z.B. durch Ultraschallschweißen), um einem Feuchtigkeitseintritt vorzubeugen, vgl. Fig. 8 (nur Gehäuse mit Druckausgleichsöffnung 419, ohne weitere Elemente) und Fig. 12 (mit Membran 491 ).
Die Fig. 4 zeigt die gleiche Ansicht wie die Fig. 3, jedoch mit ausgeblendeten Hochvolt- Steckverbinderabschnitt 6. Zu erkennen ist dadurch eine Öffnung 414 für den darin einzusetzenden und mit Schrauben 415 zu fixierenden Hochvolt-Steckverbinderabschnitt 6, der als eigenständiges Bauteil ausgebildet ist.
Das erste Modulgehäuse 41 ist zu einem Großteil aus zweikomponentigem Kunststoffmaterial gebildet. Insbesondere umfasst das erste Modulgehäuse 41 eine innere erste Schicht 44 und eine zweite äußere Schicht 45. In den Fig. 3 und 4 ist der Blick auf die Außenoberfläche des ersten Modulgehäuses gerichtet, so dass die äußere zweite Schicht 45 erkennbar ist. Die zweite äußere Schicht 45 ist aus elektrisch isolierendem Kunststoff gebildet. Es handelt sich hierbei insbesondere um einen mit Glasfasern verstärkten thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise PPS. Der Anteil (Masse) an Glasfasern in dem Material beträgt 40 %.
In der Fig. 5 ist die gleiche Perspektive des ersten Modulgehäuses 41 wie in Fig. 3 oder 4 gezeigt, jedoch mit ausgeblendeter zweiter Schicht 45, so dass der Blick auf die innere erste Schicht 44 aus elektrisch leitfähigem Kunststoffmaterial freigegeben ist. Bei dem Kunststoffmaterial handelt es sich um mit Kohlenstofffasern verstärkten thermoplastischen Kunststoff. Der Anteil (Masse) an Kohlenstofffasern beträgt 40 %. Der thermoplastische Kunststoff ist auch hier beispielsweise PPS, so dass beide Schichten ähnliche und damit kompatibel thermische Eigenschaften aufweisen. PPS gilt als flammsicher und ist dadurch besonders geeignet für die Anwendung im Heizgerät.
Zur Herstellung des ersten Modulgehäuses 41 werden die beiden Kunststoffmaterialzusammensetzungen zeitlich unmittelbar hintereinander spritzgegossen. Als erstes wird das Kunststoffmaterial der ersten Schicht 44 spritzgegossen, und anschließend, solange die Temperatur noch etwas über 100 Grad liegt, wird diese mit dem Drehteller entnommen und mit dem Kunststoffmaterial zur Bildung der zweiten Schicht verspritzt. Die Temperatur sorgt dafür, dass eine gute Haftung entsteht, aber kein gegenseitiges Verschmelzen und Vermischen verursacht wird. Um die gegenseitige Haftung weiter zu verbessern und damit die dauerhafte Einstückigkeit zu gewährleisten ist, wie in Fig. 5 gezeigt ist, eine beim Spritzgießen eingeformte Riffelung 415 in der ersten Schicht 44 zu sehen, die sich entsprechend auch in der daran angespritzten zweiten Schicht 45 widerspiegelt (nicht gezeigt).
Ferner ist in Fig. 5 zu erkennen, dass sich die erste Schicht 44 nicht in einem Abschnitt 442 erstreckt, in welchem der Niedervolt-Steckverbinderabschnitt 7 ausgebildet ist. Dieser wird dagegen von der zweiten Schicht 45 ausgefüllt, so dass der Niedervolt-Steckverbinderabschnitt 7 in dem ersten Modulgehäuse 41 integriert ausgebildet ist (und kein nachträglich zu fixirendes Bauteil darstellt). Wie in der perspektivischen Ansicht des Innenraum 413 des ersten Modulgehäuses 41 in der Fig. 12 zu erkennen ist, erstrecken sich die Pins 71 des Niedervolt-Steckverbinderabschnitts 7 unmittelbar durch die zweite Schicht 45 und sind dadurch voneinander isoliert.
Ebenfalls in Fig. 5 sichtbar ist, dass dort, wo in Fig. 4 selbstschneidende Schrauben 415 für die Fixierung des Hochvolt-Steckverbinderabschnitts 7 (siehe Fig 3) jeweils ein vergleichsweise kleines Loch 451 in der zweiten Schicht 44 ausbilden, die erste Schicht ebenfalls ausgenommen ist, vgl. die größeren Löcher 441 in Fig. 5. Dadurch ist gewährleistet, dass über die Schrauben 415 keine Hochvolt-Spannung an die Oberfläche gelangt, die aufgrund des Materials der ersten Schicht 44 nicht schnell genug abgebaut werden kann.
Desweiteren ist in Fig. 5 um die Öffnung 414 für den Hochvolt-Steckverbinderabschnitt 6 herum eine Ausnehmung 443 in der ersten Schicht 44 zu erkennen. In dieser ist ein in Fig. 5 ausgeblendeter, aber in Fig. 6 gezeigter Metallring 91 eines Blecheinlegers 9 eingebettet, welcher der Abschirmung im Bereich der Öffnung 414 dient, wenn dort der Hochvolt-Steckverbinderabschnitt 6 eingesetzt ist und der Heizbetrieb läuft. Mit dem in das Zweikompo- nenten-Kunststoffmaterial integrierten Blecheinleger handelt es sich bei dem Grundbauteil 411 um zumindest ein Dreikomponenten-Material.
Der Blecheinleger 9 besitzt ferner eine erste Metallleitung 92 und eine zweite Metallleitung 93, wie am besten in der Fig. 7 zu erkennen ist, die gleichfalls mindestens teilweise in die erste Schicht 44 eingebettet sind. Die erste Metallleitung 92 erstreckt sich von dem Metallring 91 zu einem Anschluss an der Trägerplatte 25, der durch eine von vier Befestigungsschrauben 28 zur Fixierung des Steuermoduls 4 an der Trägerplatte 25 gebildet wird. Die zweite Metallleitung 93 erstreckt sich von dem Metallring 91 hin zu einem Anschluss auf der Leiterplatte 401 der Steuervorrichtung 40. Mithin liegt der Metallring 91 sicher auf Grundpotential. Die Fig. 8 zeigt teils zum Innenraum 413 hin in der inneren ersten Schicht 44 freiliegende Oberflächen des Blecheinlegers 9.
Die Fig. 9 und 10 zeigen das Steuermodul von der Rückseite her, d.h. insbesondere den Deckel 412 des Modulgehäuses 41. In Fig. 9 ist der Blick auf die äußere zweite Schicht gerichtet, die auch die äußere Oberfläche bildet, und in Fig. 10 ist der Blick auf die innere erste Schicht 44 freigegeben (die zweite Schicht ist in der Fig. 10 ausgeblendet).
Der Deckel 412 ist durch Ultraschallschweißen an dem Grundbauteil 411 irreversibel fixiert, wozu eine Nut 418 in dem Deckel 412 vorgesehen sein kann (siehe Fig. 6), in welche eine umlaufende Nase 417 (siehe Fig. 8) des Grundbauteils 411 eingesteckt und verschweißt wird.
Die Steuervorrichtung 40 ist am besten in Fig. 11 zu erkennen. Sie wird durch eine Leiterplatte 401 mit darauf angeordneten elektronischen Bausteinen, insbesondere einem oder mehreren Mikrocontrollern (nicht gezeigt) ausgebildet. Eine Vergussmasse 402 stabilisiert und schützt die Steuervorrichtung 40 in dem Innenraum 413 des ersten Modulgehäuses 41 . In Fig. 8 sind vier Positionierpins 407 gezeigt, die sich von dem ersten Gehäusemodul 41 aus (als integral ausgebildeter Teil desselben) in den Innenraum 413 erstrecken und sich im verbauten Zustand durch Löcher (nicht gezeigt) in der Leiterplatte 401 erstrecken und mit ihr heißverstemmt sind, so dass die Leiterplatte 407 fest im Innenraum 413 positioniert und gelagert ist.
In den Fig. 6 und 7 und in größerem Detail in den Fig. 14A und 14B sind die oben erwähnten drei Stanzgitter 8 dargestellt. Diese weisen aus einem Blech gestanzte Leiterbahnen auf, die in einem Kunststoffbauteil eingebettet sind. Die Leiterbahnenkontaktieren entsprechende Anschlussstellen auf der die Steuervorrichtung 40 ausbildenden Leiterplatte 401. Die relative Positionierung wird durch domartige Positionierstifte 85 erzielt, die in entsprechende Löcher einrasten, die in der Leiterplatte 401 ausgebildet sind (nicht gezeigt).
Die Stanzgitter 8 sind räumlich in jeweils entsprechenden Aperturen 43 angeordnet, die in einem unteren Bereich des ersten Modulgehäuses 41 eingerichtet sind, wie in den Fig. 8 und 13 zu erkennen ist. Im zusammengebauten Zustand sind die Aperturen 43 des ersten Modulgehäuses 41 und die Durchgangsöffnungen 27 in der Trägerplatte 25 aufeinander ausgerichtet, so dass sich die Stanzgitter 8 durch beide hindurch erstrecken und in ihrer Position fixiert sind.
Wie in Fig. 14A und 14B gezeigt ist, weisen die Stanzgitter 8 Leiterbahnen mit Anschlüssen an den beiden Enden auf. Die Anschlüsse 81 dienen zum Kontaktieren der Bondverbindungen 39, mit denen die elektrische Verbindung zum Leistungsschaltbauteil 35 realisiert wird. Die Anschlüsse 83 sind pin-artig gestaltet und sind im zusammengebauten Zustand in THT- Technologie (Durchsteckmontage) an Kontaktstellen der Leiterplatte 401 fixiert (gelötet), d.h. mit der Steuervorrichtung verbunden.
In der Fig. 13 ist gezeigt, dass auf der Unterseite des ersten Modulgehäuses 41 neben den Aperturen 43 für die Stanzgitter 8 im Bereich von vier Wandverstärkungen 493 (vgl. Fig. 12) im ersten Modulgehäuse 41 jeweils Löcher 494 von selbstschneidenden Befestigungsschrauben 28 eingebracht sind, die in ihrer Position relativ zum Modulgehäuse in den Fig.6 und 7 dargestellt sind. Zu sehen ist in den Fig. 13 auch eine Dichtung 492, die die wenigstens eine Durchgangsöffnung 27 beziehungsweise die Apertur 43 umschließt und dadurch den Innenraum 413 des ersten Modulgehäuses 41 sowie einen das Leistungsschaltteil 35 und das Heizelement 34 aufnehmenden Innenraum des zweiten Modulgehäuses 42 vor Feuchtigkeitseintritt schützt. Zum Zusammenbauen werden die Befestigungsschrauben 28 durch entsprechende Löcher (nichtgezeigt) in der Trägerplatte 25 gesteckt und in die in Fig. 13 gezeigten Wandverstärkungen 493 geschraubt. Die Dichtung ist zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Trägerplatte 25 und des ersten Modulgehäuses gelegt oder in eine am ersten Modulgehäuse vorgesehene Nut an dieses angespritzt und wird durch die Fixierung verpresst. Insbesondere kann die Dichtung vorteilhaft an das Grundbauteil 411 unmittelbar durch Anspritzen angeformt sein. Bei dieser Variante handelt es sich somit bei dem Grundbauteil 411 aufgrund der zwei verschiedenen Kunststoffe, dem Blecheinleger und der Dichtung um zumindest ein Vierkomponenten-Material.
Wie beschrieben wird der Offenbarungsgehalt der nationalen deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2022 128 489.1 , eingereicht bei Deutschen Patent- und Markenamt am 27. Oktober 2022, deren Priorität vorliegende in Anspruch genommen wird, durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung eingeschlossen. Die in den dortigen Figuren 1 bis 7 gezeigte Ausführungsform einer dort als Heizanordnung (dort mit Bezugszeichen 100) bezeichneten Heizungsvorrichtung kann ebenso auch ein Ausführungsbeispiel für eine Heizvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen, soweit das Steuerungsgehäuse jener Anmeldung aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist.
Insbesondere kann das Steuerungsgehäuse (Bezugszeichen 30, Fig. 1 und 4 - 7) aus jener Anmeldung (DE‘489) dem ersten Modulgehäuse der vorliegenden Beschreibung entsprechen. Der Trägerkörper (Bezugszeichen 10) jener Anmeldung (DE‘489) kann der Trägerplatte der vorliegenden Beschreibung entsprechen. Die Steuereinheit (Bezugszeichen 3) jener Anmeldung kann dem Steuermodul der vorliegenden Beschreibung entsprechen. Die Steuerplatine (Bezugszeichen 31 ) aus jener Anmeldung (DE‘489) kann der Leiterplatte vorliegenden Beschreibung entsprechen. Die in jener Anmeldung (DE‘489) beschriebene Wärmeübertragungsseite 11 und Beheizungsseite 12 (vgl. Figuren 1 bis 6 der Prioritätsanmeldung) in Bezug auf den Trägerkörper bzw. die Trägerplatte sind auch in vorliegender Figur 1 eingezeichnet. Der in jener Anmeldung beschrieben Deckkörper (Bezugszeichen 17) kann dem tiefgezogenen Bodenbauteil 24 des Wärmeübertragers der vorliegenden Beschreibung entsprechen. Ferner ist in der obigen Beschreibung des Ausführungsbeispiels das Stanzgitter 8 als ein Bauteil mit in einem gemeinsamen Kunststoffbauteil eingebetteten Leiterbahnen angegeben. In der Prioritätsanmeldung (DE‘489). In der Prioritätsanmeldung (DE‘489) ist es als eine von einem Kunststoffeinsatz teilweise umschlossene Leiterbahn beschrieben, die Stanzgitter bezeichnen dabei aber den gleichen Gegenstand mit gleichen Funktionen, wie Fig. 1 , 2, 4 und 6 - 7 der Prioritätsanmeldung (DE‘489) zeigt.
Bezugszeichenliste
1 elektrische Heizvorrichtung
11 Wärmeübertragungsseite
12 Beheizungsseite
2 Wärmeübertrager
21 Fluideinlass
22 Fluidauslass
24 Bodenbauteil, tiefgezogen
25 Deckelbauteil, plattenförmig und eben, Trägerplatte
26 Fluidkammer
27 Durchgangsöffnung
28 Befestigungsschrauben (für Steuermodul an Trägerplatte)
3 Wärmeumwandlungseinheit
31 Gehäusedeckel
32 Anbringelement
33 Lasche
34 Heizelemente
35 Leistungsschaltbauteil
36 Heizleiterbahn
37 Bondverbindung
38 Temperatursensoren
39 Bondverbindung
4 Steuermodul
40 Steuervorrichtung
401 Leiterplatte
402 Vergussmasse
407 Positionierpins
41 erstes Modulgehäuse
411 Grundbauteil
412 Deckel
413 Innenraum
414 Öffnung für Hochvolt-Steckverbinderabschnitt
415 Riffelung
417 Nase
418 Nut 419 Druckausgleichsöffnung
42 zweites Modulgehäuse
43 Apertur in erstem Modulgehäuse
44 erste Schicht aus elektrisch leitfähigem Kunststoffmaterial
441 Löcher in erster Schicht
442 ausgenommener Abschnitt in erster Schicht
443 Ausnehmung für Metallring in erster Schicht
45 zweite Schicht aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial
491 Gore-Tex-Membran
492 Dichtung (zwischen Steuermodul und Trägerplatte)
493 Verstärkung (Modulgehäuse)
494 Schraubloch
5 Wärmeübertragermodul
52 Anbringbereich (für Steuermodul)
6 Hochvolt-Steckverbinderabschnitt
7 Niedervolt-Steckverbinderabschnitt
8 Stanzgitter
81 Anschlüsse für Steuervorrichtung
83 Anschlüsse für Bondverbindung
85 domartige Positionierstifte
9 Blecheinleger
91 Metallring
92 erste Metallleitung
93 zweite Metallleitung

Claims

ANSPRÜCHE
1. Elektrische Heizungsvorrichtung (1) für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, umfassend ein Heizungsvorrichtungsgehäuse, wenigstens ein Heizelement (34), das für einen Heizbetrieb bei einer Betriebsspannung im Hochvoltbereich ausgelegt ist; einen Wärmeübertrager (2), welcher mit dem wenigstens einen Heizelement (34) in thermischer Wirkverbindung steht, um die vom Heizelement (34) erzeugte Wärme an ein den Wärmeübertrager (2) durchströmendes Medium abzugeben; und ein Steuermodul (4) umfassend eine Steuervorrichtung (40), die eingerichtet ist, das wenigstens eine Heizelement (34) mit der Betriebsspannung im Hochvoltbereich zu versorgen und den Heizbetrieb des wenigstens einen Heizelements (34) zu steuern; wobei das Steuermodul (4) ein erstes Modulgehäuse (41) aufweist, das Teil des Heizungsvorrichtungsgehäuses ist, aus einem Kunststoff gebildet ist und die Steuervorrichtung (40) in sich aufnimmt.
2. Elektrische Heizungsvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 , wobei die Betriebsspannung im Hochvoltbereich 60 V oder mehr beträgt, vorzugsweise 400
V oder mehr, weiter bevorzugt 700 V oder mehr, insbesondere 800 V oder mehr.
3. Elektrische Heizungsvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Wärmeübertrager (2) und das wenigstens eine Heizelement (34) ein Wärmeübertragermodul (5) ausbilden und von einem zweiten Modulgehäuse (42) aufgenommen sind; und das erste Modulgehäuse (41) ein von dem zweiten Modulgehäuse (42) verschiedenes Bauteil ist.
4. Elektrische Heizungsvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Modulgehäuse (41) eine erste Schicht (44) aus elektrisch leitfähigem
Kunststoffmaterial aufweist.
5. Elektrische Heizungsvorrichtung (1) gemäß Anspruch 4, wobei das elektrisch leitfähige Kunststoffmaterial ein mit Kohlenstofffasern verstärkter Kunststoff ist.
6. Elektrische Heizungsvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste Modulgehäuse (41) eine zweite Schicht (45) aus elektrisch isolierendem
Kunststoffmaterial aufweist.
7. Elektrische Heizungsvorrichtung (1) gemäß Anspruch 6, wobei das elektrisch isolierende Kunststoffmaterial ein mit Glasfasern verstärkter Kunststoff ist.
8. Elektrische Heizungsvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7 mit Rückbezug auf einen der Ansprüche 4 oder 5, wobei die zweite Schicht (45) außenliegend eine freiliegende Außenoberfläche des ersten Modulgehäuses ausbildet und die erste Schicht (44) relativ zur zweiten Schicht innenliegend einen Innenraum (413) des Modulgehäuses (413) weitgehend umgibt, wobei vorzugsweise die erste Schicht (44) und die zweite Schicht (46) aneinander angeformt sind und ein einstückiges Bauteil ausbilden.
9. Elektrische Heizungsvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei in dem ersten Modulgehäuse (41) ein Hochvolt-Steckverbinderabschnitt (6) eingerichtet ist, welcher von einem mit einem Grundpotential verbundenen Metallring (91) zumindest teilweise umschlossen ist, wobei der Metallring (91) in der ersten Schicht (44) aus elektrisch leitfähigem Kunststoffmaterial und/oder zwischen der ersten Schicht (44) und der zweiten Schicht (46) eingebettet ist, wobei der Metallring (91) vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer oder Stahlblech gebildet ist.
10. Elektrische Heizungsvorrichtung (1) gemäß Anspruch 9, wobei der Metallring (91) über eine erste, in dem elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterial der ersten Schicht (44) eingebettete Metallleitung (92) mit einer metallischen Trägerplatte (25) des Wärmeübertragermoduls (5) elektrisch leitend verbunden ist, und/oder der Metallring (91) über eine zweite, in dem elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterial der ersten Schicht (44) eingebettete Metallleitung (93) mit einem Masseanschluss einer Leiterplatte (401) der Steuervorrichtung (40) elektrisch leitend verbunden ist.
11. Elektrische Heizungsvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei in einem Abschnitt (442) des ersten Modulgehäuses ein Niedervolt-Steckverbinderabschnitt (7) eingerichtet ist, wobei sich in dem Abschnitt (442) die erste Schicht (44) aus dem elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterial nicht erstreckt, so dass eine Wand des ersten Modulgehäuses (41) im Bereich dieses Abschnitts (442) im Wesentlichen nur durch die zweite Schicht (45) aus dem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial ausgebildet ist.
12. Elektrische Heizungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem ersten Modulgehäuse (41) wenigstens eine Apertur (43) zum Hindurchführen einer elektrischen Verbindung zwischen der Steuervorrichtung (40) in dem ersten Modulgehäuse (41) und einem Leistungsschaltteil (35) zum Schalten des Heizelements (34) in dem zweiten Modulgehäuse (42) ausgebildet ist, wobei in der wenigstens einen Apertur (43) jeweils ein Stanzgitter (8) mit in einem gemeinsamen Kunststoffbauteil eingebetteten Leiterbahnen angeordnet ist, wobei die Leiterbahnen entsprechende Anschlussstellen auf einer die Steuervorrichtung (40) ausbildenden Leiterplatte (401) kontaktieren.
13. Elektrische Heizungsvorrichtung (1) gemäß Anspruch 12, wobei sich das Stanzgitter (8) durch die Apertur (43) und die Durchgangsöffnung (27) in einen Innenraum (413) des ersten Modulgehäuses (41) hinein erstreckt, wo es mit wenigstens einem Positioniermittel, insbesondere einem Positionierstift (85), an der die Steuervorrichtung (40) ausbildenden Leiterplatte (401) fixiert ist.
14. Elektrische Heizungsvorrichtung (1) gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei
Befestigungsmittel, insbesondere eine oder mehrere Schrauben (415), bereitgestellt sind, um eine Trägerplatte (25) des Wärmeübertragermoduls (5) an dem ersten Modulgehäuse (41) zu befestigen, wobei die Trägerplatte (25) eine Durchgangsöffnung (27) aufweist, die auf die wenigstens eine Apertur (43) ausgerichtet ist, so dass sich das Stanzgitter (8) durch die Durchgangsöffnung (27) der T rägerplatte (25) hindurch erstreckt und auf deren gegenüberliegenden Seite Kontaktanschlüsse (81) für die Leiterbahnen bereitstellt, wobei vorzugsweise eine Dichtung (492) zwischen einander zugewandten Oberflächen des ersten Modulgehäuses (41) und der Trägerplatte (25) eingerichtet ist, welche die wenigstens eine Durchgangsöffnung (27) beziehungsweise die Apertur (43) umschließt und dadurch den Innenraum (413) des ersten Modulgehäuses (41) sowie einen das Leistungsschaltteil (35) und das Heizelement (34) aufnehmenden Innenraum des zweiten Modulgehäuses (42) vor Feuchtigkeitseintritt schützt.
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